Altair Taiwan Blog

一直以來，人類看到的都是月球的同一面，使我們對月球背面的場景充滿了好奇。因此，探測月球“背面”成為航太事業中的一個熱點和難點問題。令人欣喜的是，由北京航太東方紅衛星有限公司參與研製的中國嫦娥四號中繼衛星在今年成功發射，這將有助於人類進一步揭開月球背面的神秘面紗。

本次發射的嫦娥四號中繼衛星工作軌道位於深空高軌，且還有兩個微小衛星搭載發射，動量輪支架屬於該衛星上重量較重的元件之一，為了實現減重，特對斜裝動量輪支架展開輕量化設計。。

通過應用Altair公司的Altair Inspire對衛星斜裝動量輪支架進行優化及改進設計，將設計思路由原來的“先設計產品結構再校核產品性能”轉變為“先確定產品性能，再通過拓撲優化手段得出產品最終結構”，為衛星斜裝動量輪支架的結構方案選型提供了依據。

首先，在運載發射能力受限的情況下，嫦娥四號中繼衛星的重量指標異常嚴格，因此亟需開展輕量化產品設計。對重量較重的斜裝動量輪支架的優化設計，意味著進一步提升了衛星載荷的可用重量，降低衛星發射的成本。

其次，在嫦娥四號中繼衛星上，動量輪是非常重要的姿控執行部件，其安裝精度直接影響衛星姿控。作為支撐動量輪的斜裝動量輪支架，傳統設計製造的方式是由鋁合金棒料機械加工而成的整體式薄壁零件，該結構形式的支架減重設計是在側壁上開形狀規則的減重孔及減小壁厚，存在壁厚太薄及減重孔太多時，支架加工過程容易發生變形，最終成形精度難以保證的問題。

如何實現斜裝動量輪支架減重的同時，仍滿足其機械介面、安裝約束、剛度、強度等各項指標，甚至兼顧來自拓撲優化設計結果的工藝性及美觀性？這些都是擺在衛星斜裝動量輪支架設計工程師們面前的種種挑戰。

運用Altair Inspire進行拓撲優化設計

眾所周知，拓撲優化設計的基本思想是將尋求結構的最優拓撲問題，轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料分佈的問題，其目的是尋找承受單載荷或多載荷的物體最佳材料分配方案。市面上也有眾多成熟的商務軟體可供設計師們選擇，Altair Inspire因採用了Altair先進的OptiStruct優化求解器，同時介面友好易用，而備受設計工程師的青睞。本次衛星斜裝動量輪支架設計也選擇了採用Altair Inspire這一設計工具。

衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化設計流程

利用Altair Inspire，設計工程師首先對衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型進行了前處理，此環節主要考慮的要素有：動量輪本體有4個安裝螺釘；安裝法蘭在腰部，背後突出進入支架內部；支架下端通過7個螺釘與衛星連接；姿控要求安裝角度為45°。。

衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型

在確認完衛星斜裝動量輪支架的機械介面、安裝空間、安裝要求等要素後，進入了對拓撲優化基礎模型的處理環節，這部分需要確認動量輪支架的設計空間、非設計空間、施加載荷及約束。例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘的操作空間；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及4個螺釘孔。同時，由於支架下端是通過7個螺釘為衛星連接，所以按照固定支架處理。載荷載入在動量輪上，約束為7個螺釘孔，材料是鋁。

拓撲優化是衛星斜裝動量輪支架優化設計流程中的關鍵環節，主要目的在於確定優化目標，並進行運算。衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小品質模式為優化目標，優化的最小剛度為250HZ，載入載荷為7個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。

最後，根據輸出優化目標滿足設定要求的資料，並調整拓撲材料分佈滑塊，選擇連續實體形式，確定衛星斜裝動量輪支架優化設計結果。至此，通過以上步驟，設計工程師們利用Altair Inspire得到了在綜合考量重量情況下的衛星斜裝動量輪支架的優化傳力路徑及連接狀態。

衛星斜裝動量輪支架拓撲優化

Altair Inspire自帶PolyNURBS功能，增材製造實現更容易

通過拓撲優化設計的零部件，傳統的製造工藝往往加工困難甚至無法製造，而增材製造（即3D列印）是一種先進的製造技術，通過採用層層堆積材料的方法來製造零件結構。相對于傳統的材料切削去除技術，增材製造能夠實現幾何高度複雜的結構快速“生長”成型，有相對較少的製造約束。尤其增材製造具有流程短、適合複雜結構等特點，給材料和結構設計者提供了豐富的想像空間，使傳統製造技術難於實現的結構變得易於實現，本次衛星斜裝動量輪支架優化設計的製造方式就選用了增材製造技術。

但傳統的CAD軟體在設計與優化產品時，通常是直上直下或是直接用布耳運算進行幾何實體操作，或是簡單的放樣，而當遇到形狀過於複雜的零部件時，存在很難將結果直接轉為CAD的挑戰。Altair Inspire對此有相應的解決辦法，採用Parasolid的多邊形建模——PolyNURBS，是用多邊形建模的方式解決工程問題，可以直接導入到其他的任何相關軟體進行製造流程的對接。

在衛星斜裝動量輪支架建模中，設計工程師就應用了Altair Inspire中的PolyNURBS模組中的包覆、橋接、分割、布耳運算等功能，對拓撲優化設計結果進行重構。從衛星斜裝動量輪支架建模時的力學分析結果可知，基頻滿足剛度要求；校驗材料為AlSi10Mg（3D列印常用）；應力小於屈服強度，裕度大於1，強度設計滿足要求。

衛星斜裝動量輪支架建模時的力學分析

此外，還對衛星斜裝動量輪支架進行了光順處理，實現了對拓撲優化設計結果工藝性及美觀性的兼顧，得到了可以直接3D列印製造的設計模型。最後，衛星斜裝動量輪支架選擇航太529廠提供的AlSi10Mg鋁合金選區鐳射融化成型工藝（SLM）進行加工，支架減重50%。

衛星斜裝動量輪支架3D列印設計模型及列印成品

最終，通過Altair Inspire優化設計的衛星斜裝動量輪支架，在加工完成後，安裝動量輪後在衛星上安裝。同時，按照衛星產品的研製規範，接受了上星驗證、力學驗證、飛行驗證等各項航太級環境試驗，並隨嫦娥四號中繼衛星成功飛行。後續嫦娥四號中繼星將通過12次軌道控制飛往地月L2平動點Halo軌道。目前該衛星已經成功入軌，狀態良好，開始執行既定任務。

衛星斜裝動量輪支架在嫦娥四號中繼星上裝配示意圖

回顧衛星斜裝動量輪支架的優化設計，可以發現設計工程師們採用了拓撲優化設計與增材製造加工相結合的方式，借助於Altair Inspire，首先設計出支架的合理傳力路徑，並對拓撲優化設計後的支架進行建模。在得到可以3D列印的設計模型後，採用鐳射融化成型工藝（SLM）進行加工。