一、前言

    衛(wèi)星研制是一項高成本、高技術、高投入、高風險的系統(tǒng)工程。設計重量的降低以及設計周期的縮短成為衛(wèi)星研制過程中兩個非常突出的問題。尤其是設計重量的降低，它有助于提升有效載荷的比重，提高整個航天器的機動性，同時降低發(fā)射成本，提高整個衛(wèi)星研制單位的競爭力。

    衛(wèi)星在發(fā)射時要承受復雜的靜態(tài)、動態(tài)載荷，在軌運行時又要承受低振幅的擾動。因此，衛(wèi)星結構重量的降低程度以及精確結構的穩(wěn)定度，對于整個衛(wèi)星設計重量有著決定性的影響，是衛(wèi)星成功與否的關鍵。傳統(tǒng)的計算機輔助設計/分析工具只是幫助設計者辨識哪些區(qū)域滿足應力要求，那些區(qū)域應力過大，從而幫助設計者提高設計質量。但是，當設計變量和約束過多，設計要求考慮結構動力學的時候，這種人工設計方法 變得越來越困難，有時甚至是不可能的。這個時候借助于計算機的優(yōu)化設計方法便顯得十分必要了。

    國外汽車工業(yè)從20世紀90年代初就已經開始了這方面的研究，至今已經得到了比較廣泛的應用，應用范圍從公共汽車、轎車到貨車幾乎涵蓋了所有現有車型。大多數的國外汽車企業(yè)如寶馬、豐田、奧迪和福特等企業(yè)均不同程度的采用了拓撲優(yōu)化技術進行汽車的整體及局部設計，而國內汽車企業(yè)只有極少數企業(yè)在局部構件的設計上應用了該技術。航空領域的典型應用要數2003年Altair公司、Airbus公司和BAE SYSTEMS公司三方技術人員共同使用HyperWorks對A380機翼進行減重設計的 案例。圖1便是優(yōu)化設計后的結果。第一階段采用傳統(tǒng)基于應變能的拓撲優(yōu)化方法得到最佳的設計方案，隨后根據穩(wěn)定性和應力約束的要求使用尺寸和形狀優(yōu)化方法來進行細節(jié)設計。僅僅用一星期的時間便完成了13根肋板的設計工作，并達到了單架飛機減重500kg的好成績。

    考慮到衛(wèi)星工程設計以及應用的特殊性，盡管一些專家對這一領域的拓撲優(yōu)化技術進行了深入的研究，但還沒有達到應用的成熟程度。鑒于此，本文著重介紹美國Altair公司分析及優(yōu)化軟件HyperWorks以及其在衛(wèi)星機構設計中的應用前景，以期能夠為國內同行提供一些參考，從而提高我國衛(wèi)星的整體設計水平，增強我國航天企業(yè)在國際市場上的競爭力。

二、HyperWorks的主要功能模塊

    HyperWorks集成了設計與分析所需各種工具，是一種用戶界面友好、功能強大的開放性CAE平臺。主要包括HyperMesh、MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt和OptiStruct 六個模塊?；究梢詽M足工程實際過程中設計、分析和數據處理等功能要求。本文結合衛(wèi)星工程的特點著重介紹結構拓撲優(yōu)化以及分析主要用到的HyperMesh、OptiStruct兩個功能模塊，并對其他模塊做簡要介紹。

    1.HyperMesh功能模塊

    HyperMesh是一個高性能、開放式的有限單元前后處理器，能夠在高度交互性和可視化的環(huán)境下驗證及分析多種設計情況。這種高性能的有限元建模和后處理大大縮短了工程分析的周期，提高了分析的質量和真實度。HyperMesh具有如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和PATRAN等工業(yè)界主要的CAD數據格式接口，避免重新建模的麻煩。

    HyperMesh提供了整理和改進輸入幾何模型，消除缺損和孔的工具。使用這些工具可以方便的進行相鄰曲面邊界的壓縮，消除缺損、孔，修補面、體等，從而提高網格劃分的總體速度和質量。同時具有云圖顯示網格質量、單元質量跟蹤檢查等方便的工具，及時檢查并改進網格質量，大大降低了用于建模和網格劃分的重復工作和費用。

    自動網格劃分模塊是一個智能的網格生成工具，同時可以根據需要調整每一個曲面或邊界的單元密度、單元長度變化趨勢以及網格劃分算法等網格參數。設計者可以使用各種網格生成模板以及強大的自動網格劃分模塊進行2D和3D有限元模型的建立。HyperMesh能夠快速利用高質量的一階、二階四面體單元自動進行封閉區(qū)域的網格劃分。四面體自動網格劃分模塊應用強大的AFLR算法，設計者可以根據結構和CFD建模需要來選擇浮動或固定邊界三角形單元，對于一些不理想的局部區(qū)域可以選擇重新劃分。

    HyperMesh提供強大、完備的后處理功能組件，使用等值面、變形、云圖、瞬變、矢量圖和截面云圖等表達結果，幫助設計者準確地理解復雜的仿真結果。HyperMesh支持變形、線性、復合以及瞬變動畫顯示。可以直接生成BMP、JPG、EPS和TIFF等格式的圖形文件及通用的動畫格式。

    2.OptiStruct功能模塊

    OptiStruct是基于有限元的結構分析及優(yōu)化軟件，主要用于概念設計以及改進設計。內部包含一個快速、準確的有限元求解器，設計者可以使用標準的單元庫和類型廣泛的邊界條件來優(yōu)化線性靜力和固有頻率問題。可以優(yōu)化出基于應力、位移、固有頻率和拔模斜度等多種約束條件下的具有最小重量和最大性能的結構。OptiStruct包含的實用程序OSSmooth可以生成IGES文件，可以方便地將拓撲優(yōu)化結果反饋到CAD系統(tǒng)，為進一步的分析、細節(jié)優(yōu)化以及加工提供了方便。OptiStruct模塊主要包括以下幾種功能。

    (1)拓撲優(yōu)化(topology optimization)。在給定的設計空間內，找出滿足工程實際性能約束條件下最佳的材料分布。OptiStruct采用先進的逼近和優(yōu)化方法來找到優(yōu)化的載荷路徑，提高了優(yōu)化的效率和速度。

    (2)形狀/尺寸優(yōu)化(shape/size optimization)。在保持結構拓撲和形狀不變的前提下尋求結構的最佳截面尺寸，從而使結構滿足設計者的意圖和目標。

    (3)形貌優(yōu)化(topography optimization)。該技術可以在薄壁結構上進行沖壓筋位置、數量、方向、最大槽深及拉伸角度等參數的優(yōu)化。OptiStruct可以自動提供設計變量的建立和優(yōu)化控制，還可以使用OSSmooth生成的幾何模型反饋到CAD系統(tǒng)進行進一步的性能分析和仿真。

    (4)可制造性優(yōu)化設計。在拓撲優(yōu)化設計同時加入拔模斜度、拔模方向和局部最小/最大尺寸等影響加工制造的因素為約束條件，這樣使得結果的可制造性大大提高。這一技術主要用于鑄件結構的優(yōu)化設計上。

    (5)焊接、鉚接優(yōu)化?？梢宰顑?yōu)化布局結構焊點數目，通常才用最小化焊點體積作為目標。OptiStruct的“*.hm.compcommand”文件包含焊接的使用推薦級別信息。

    3.其他功能模塊

    MotionView是通用動力學系統(tǒng)仿真及工程數據的前后處理器和可視化工具?？梢赃M行數據圖表繪制和高性能交互式三維動畫，同步多圖動畫及圖表繪制，整合各種來源的工程數據并形成圖表，能夠對復雜多體系統(tǒng)仿真結果進行解釋和表達。MotionView具有方便的用戶化接口，支持ADAMS、SIMPACK等多種動力學仿真軟件。

    Hyper Graph是一個強大的數據分析和圖表工具，集成很多流行的文件接口。高度完善、先進的數學引擎能夠處理最復雜的數學表達式。HyperGraph能夠通過數學表達式從已有的曲線建立新的數學曲線，內建150多個數學函數和運算符。同時可以進行信號處理、曲線擬合、濾波、特征系統(tǒng)分析、積分和微分以及統(tǒng)計分析等復雜的數學運算。

    HyperForm是使用逆向逼近方法進行高性能金屬板材成型仿真的有限元軟件。它集成了HyperMesh的優(yōu)異性能，可以讓零件設計人員、沖模設計人員快速進行沖壓零件的多種解決方案的對比，幫助他們辨別并改正潛在的沖壓問題，使試驗時間大大縮短，從而生產出更高質量的零件。

    HyperOpt是一個非線性優(yōu)化工具，可以使用任意的分析代碼，應用各種分析軟件進行參數研究和模型調整。設計參數可以是任意實際輸入的數值或節(jié)點的位置。目標函數可以最大、最小，也可以規(guī)定大于、等于或者小于一個指定值。

三、HyperWorks在衛(wèi)星結構設計中的潛在應用

    目前，衛(wèi)星結構設計主要利用有限軟件首先對結構進行分析得到結構的應力云圖，進一步結合工程實際的經驗以及模型試驗對結構進行修改。設計過程往往不是一次能夠完成的，需要反復修正，浪費了大量的人力和物力成本。HyerWorks改變了這種傳統(tǒng)的設計思路，使得產品的問題在設計階段便可以被發(fā)現、修正，縮短了設計周期和成本。下面結合衛(wèi)星結構設計的實際來分析HyerWork在衛(wèi)星結構設計中的潛在應用。

    1.主承力結構

    主承力結構就是衛(wèi)星的脊椎骨，支撐著整個衛(wèi)星的重量。因此，主承力結構要求具有極強的剛性、穩(wěn)定性和高的動力學特性。例如，FY-2系列衛(wèi)星主承力筒均采用鉚接結構，鉚接點的分布與數量基本是工程經驗的積累，這種冗余設計必然要被精細化、精確化設計所替代。OptiStruct能夠在保證結構靜力學、動力學要求的前提下合理布置鉚接點的位置和數量，從而降低結構重量。

    2.蜂窩結構材料

    蜂窩結構材料以其質量輕、剛性好而受到航天領域的親睞。衛(wèi)星結構的支撐板、儀器板均采用蜂窩結構材料，例如F Y-2號衛(wèi)星的儀器板。這些材料通常是從復材廠家直接購買，當有些部分不能夠滿足實際使用時便要加入輔助的支撐構件，無疑也增加了整個衛(wèi)星的重量。OptiStruct能夠根據實 際結構需要設計蜂窩單元的形狀和排布方式，按照實際需要合理地分配結構的剛性，減少了附加輔助支撐構件。

    3.高精度單機的支撐結構

    衛(wèi)星上許多單機和系統(tǒng)對于其支撐結構的穩(wěn)定性要求極高。例如，FY-2衛(wèi)星軸向發(fā)動機支撐結構是碳纖維材料做成的三腳架結構，因為放大量級太大而不得不包覆橡膠并纏繞碳布來增強其穩(wěn)定性。FY-2衛(wèi)星的掃描輻射計是一個光學系統(tǒng)，結構穩(wěn)定性的高低直接決定著有效載荷的精度和拍攝效果，也就是整個衛(wèi)星性能的高低。此外，衛(wèi)星的工作環(huán)境溫差很大，溫度給光學系統(tǒng)帶來的誤差是不能忽略的因素。使用OptiStruct可以設計出不受溫度影響的所謂“熱鈍”材料，許多高校和研究機構已經在這方面作了大量的研究工作。這項技術的成熟一定會帶來衛(wèi)星性能的大幅度提高。

    4.鑄件

    衛(wèi)星結構中也用到一些鑄件，多數是鎂合金，例如FY-2衛(wèi)星南北紅外地平儀支架、起旋肼瓶支架和大肼瓶支座等。使用HyerWorks可以在這些構件優(yōu)化設計的時候加入拔模斜度約束、最小尺寸約束和最小倒角約束等，從而降低構件在鑄造過程的不合格率。

四、實例分析

　　衛(wèi)星轉接環(huán)是連接衛(wèi)星與運載的主要承力結構，工作環(huán)境復雜、結構剛性和動力學特性的好壞直接影響發(fā)射任務的成功與否。K.K.Sairajan在不影響原有結構剛性、動力學特性以及其他子系統(tǒng)特性的情況下對原結構進行了重新設計，結果減重0.8kg，一階頻率提高2.58Hz。采用2-D四邊形殼單元對轉接環(huán)結構進行了有限元劃分，共2699個節(jié)點2865個單元，如圖2所示。優(yōu)化后轉接環(huán)剖面圖，表1對比了優(yōu)化設計前后結構總重量，一階、二階固有頻率，表2給出了個組成部分材料及其重量。

五、衛(wèi)星結構設計應用HyperWorks的幾點建議

　　目前，國內衛(wèi)星研究院所結構設計仍然采用傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化方法，往往采用冗余設計的方法來保證結構的可靠性。隨著對衛(wèi)星性能要求的日益提高、競爭的日益加劇，對于衛(wèi)星結構設計的要求變得越來越苛刻，因此拓撲優(yōu)化的優(yōu)越性變得越來越明顯。為了結構設計能夠適應衛(wèi)星工程發(fā)展的要求，為了HyperWorks軟件能夠更好地應用于衛(wèi)星結構設計領域，筆者主要有以下幾點建議。

　　(1)盡快組織一支工程技術豐富、專業(yè)理論扎實的科研隊伍，從理論和實踐相結合的角度出發(fā)對衛(wèi)星結構拓撲優(yōu)化進行深入系統(tǒng)的研究，為下一步的實際應用奠定基礎。

　　(2)與高校聯合進行拓撲優(yōu)化基礎理論的研究，在HyperWorks平臺的基礎上二次開發(fā)出適用于衛(wèi)星結構拓撲優(yōu)化特點的準用軟件。相比較于傳統(tǒng)的結構，衛(wèi)星結構的工作環(huán)境苛刻，載荷條件復雜，面向一般工程實際結構設計的拓撲優(yōu)化模塊OptiStruct并不能夠完全適用于衛(wèi)星結構的要求。高校具有得天獨厚的資源優(yōu)勢、大批優(yōu)秀的理論專家、極具創(chuàng)新思維的年輕研究者，這樣必能夠在理論上彌補研究所的不足。

　　(3)組建一支專門的試驗隊伍?？紤]到衛(wèi)星結構環(huán)境的特殊性，新的技術的應用必然要經歷反復的模擬環(huán)境試驗的驗證，有些技術甚至要搭載衛(wèi)星進行實際環(huán)境的試驗驗證。盡管研究所有專門的試驗室、試驗人員，但是研究所受型號任務急緩的限制必然造成預言性的試驗被擱置的局面。因此，有必要組建一支專門的試驗隊伍配合各專業(yè)組的研究工作，從而縮短研究周期。

六、結論

　　衛(wèi)星工作環(huán)境復雜，可靠性要求高，傳統(tǒng)設計多采用冗余設計來適應這種要求。隨著國際市場競爭環(huán)境的變化，對產品性能要求的不斷提高，對衛(wèi)星的設計制造提出了新的要求和挑戰(zhàn)，使得設計者有必要進行更優(yōu)、更精確的設計。HyperWorks集成了設計與分析所需各種工具，是一個功能強大的開放性CAE平臺。它在優(yōu)化和分析上的強大功能在汽車和航空領域都得到了很好的驗證，在衛(wèi)星結構設計領域必然也會有更加廣闊的應用前景。