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空间对接平台关键件结构优化设计

王侃  
【摘要】: 空间对接平台的主要任务就是将设备精确的装入固定箱体中或者由固定箱体中拆卸下来以维护。本文主要从实现精密对接出发,分析出空间对接平台的六自由度调节功能是实现设备精确对接到位的关键技术。从而分析出支撑腔体是空间对接平台的关键件。对支撑腔体的优化设计具有重大意义,为以后的空间对接平台的设计奠定了基础。 对空间对接平台进行了功能分析,将功能进行了分解、归类。归纳整合后得出了空间对接平台组成结构。通过功能分析以及现场对接情况,发现空间对接平台的六自由度调整功能是实现设备精确对接的关键,对空间对接平台支撑腔体这一关键件的优化设计是必要的,也是本文进行优化设计的研究对象。 本文以空间对接平台支撑腔体作为研究对象,主要利用有限元软件ANSYS11.0建立腔体有限元模型,根据实际情况施加约束及载荷,然后进行静力学分析和模态分析,得出了腔体的等效最大值应力、最大变形量值、前10阶模态以及相应振型。这些数据作为优化设计的性能指标。 介绍了连续体拓扑优化设计的方法和理论,本文使用的Ansysworkbench11.0采用变密度法进行拓扑优化,优化准则法进行数学计算。介绍了变密度法建立拓扑优化数学模型的方法,推导了迭代算式。定义了优化的目标函数、约束条件、设计变量。通过改变约束条件得到了3中优化结果,但伪密度云图总体轮廓基本保持一致。为防止优化结果出现数值不稳定现象,对拓扑优化结果进行了可信度分析,发现优化过程不存在网格依赖性。拓扑优化结果并不能用于产品的加工制造,考虑腔体采用铸造方式,结合拓扑优化密度云图对腔体进行了可制造化处理,设计出新的对接平台腔体。最后对新腔体建立有限元模型进行静力学、模态分析。比较了优化前后腔体的最大值等效应力、最大值变形量值、前10阶模态、振型以及它们出现位置,发现优化前后腔体的力学性能并未发生太大变化,都在容许范围内;不过优化后一阶固有频率明显提高,腔体动力学特性变好。且腔体质量减小近30%,大大降低了加工制造成本。因此,达到了拓扑优化设计目的,对以后空间对接平台的设计具有指导意义,达到了课题研究的目的。


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