2.2 拓扑优化数学模型及分析 9

2.3 拓扑优化常用算法 11

2.4 本章小结 12

3 应用 Hyperworks 软件对卫星支架进行拓扑优化 13

3.1 Hyperworks 软件介绍 13

3.1.1 Hyperworks 软件中的拓扑优化方法 13

3.1.2 Hyperworks 软件的拓扑优化步骤 14

3.2 卫星支架的优化 14

3.3 拓扑优化的结果分析 25

3.4 本章小结 26

4．拓扑优化模型的 3D 打印 27

4.1 模型打印计划概述 27

4.2 模型打印 27

4.3 打印情况对比 28

结论 29

致谢 30

参考文献 31

第 II 页本科毕业设计说明书

1  绪论

1.1  课题研究的背景和意义

苏联于上世纪 60 年代发射了地球上第一枚人造卫星。这一事件具有划时代的意义，它宣 告人类迈步进入太空时代，经过人类数十年的研究，人造地球卫星如今已广泛应用于广播电 视、资源普查、军事侦察、空间物理探测、气象观测、环境监测、全球通信、大地测量、天 文观测、搜索营救等方面[1]。于是世界各国纷纷加大航空领域的投入，相继发射 5000 多个航

天器，目前在轨卫星 2400 个之多，仍然工作的还剩 700 多个。其中美国 400 多颗。俄罗斯

100 多颗，中国 79 颗。由于航天事业耗资非常巨大，太空发射的成本经常高达每公斤数千甚 至于数万美元，根据运营商的系统以及卫星轨道的不同甚至能够达到六位数之多。因此对人 造卫星的减重工作非常必要。作连接用途的支架在卫星发射过程中用量庞大，虽然单个支架 体积不大，但卫星中的支架总重量还是非常巨大的，因此通过对卫星支架的减重，可以省下 一大笔资金。而卫星支架经过优化通常结构很复杂，因此通常用增材制造的方法来制造。

传统减材或变形制造方法从古至今，已然形成了固定的制造规则。当代传统制造业平稳 发展，在此基础上发展起来的增材制造(Additive manufacturing，AM)技术被专家们誉为有望 激起第三次工业的关键技术。由于其适应复杂零件的适应力强，故应该适合加工结构较 为复杂的零件[2]。空客相关负责人指出增材制造技术可以用一个零件满足所需功能，且剩下 的钛粉原料可以再次使用，节省了大量材料，同时可较大地提升金属支架热疲劳性能。由于 常规金属切削加工技术制造出来的的金属支架无论质量还是应力优化都不能满足航天公司的 需求，因此选用增材制造的分层制造方法[3]生产这种零件。

增材制造技术的快速发展对拓展三维零件模型的设计自由度极为有利，同时也为零件的 轻量化创新设计提供了无限的设计空间[4]。增材制造技术选用钛金属粉末作为生产材料，根 据设计好的模型，使用激光熔化或硬化钛粉末，利用粉末熔融或烧结来制造金属材料的支架， 在更改设计时显得很方便[5]。

在这种背景下，本文基于拓扑优化理论用 Hypermesh 软件对卫星支架进行了划分网格和 有限元分析，并在 Hyperview 中生成了应力云图并对有无集中应力和减重比进行了分析并进 行了 3D 打印的工作。