項目介紹
中國航太科技集團公司北京空間飛行器總體設計部成立於1968年，是我國總體領域最多、專業技術最齊備的空間飛行器研製核心總體單位。近50年來，總體部承擔並完成了月球探測衛星、載人飛船、傳輸遙感衛星、導航衛星、通信廣播衛星、返回式衛星等各類航天器型號的技術抓總及相關分系統與產品研製任務，其中包括我國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”、第一艘載人飛船“神舟五號”、第一顆月球探測衛星“嫦娥一號”、第一個月面軟著陸與巡視勘察探測器“嫦娥三號”，以及第一顆返回式衛星、地球同步軌道衛星、傳輸遙感衛星、導航衛星等。
總體部一直非常重視模擬優化技術，引進了以HyperWorks為代表的一系列模擬優化軟體，並在型號中廣泛推廣應用，取得了很好的效果，為了更好更快的讓新觀念、新技術、新軟體在航天器上落地生根，各研究室和工程組會通過競賽、培訓、試點等多種方式開展推廣活動。開展三維設計大賽結合3D列印技術，挑戰傳統的設計。
挑戰
航天器結構的減重優化對整個系統意義重大，每一部分重量的減輕即意味著航天器擁有更好的性能、更多的功能、更遠的行程和更優的經濟效能，整個系統具備更強的負載能力和更好的經濟性。
結構輕量化技術包含設計輕量化技術和材料輕量化等技術，設計輕量化技術包括結構拓撲優化和點陣結構（Lattice，或稱格柵結構）優化等技術。如何利用先進的模擬技術和製造技術合理實現優化減重是當代航太人面臨的挑戰。
由Inspire 生成的全新材料佈局
解決方案
在2014年10月瀋陽召開的製造業資訊化大會上，我們瞭解到Altair的solidThinking軟體是一款易學易用的三維設計與拓撲優化於一體的設計軟體，同時可以對接3D列印技術，這正是我們一直在為設計人員尋求的解決方案。在引入solidThinking軟體後得到了Altair技術團隊的大力支持，經過培訓，我們於2015年在設計團隊開展了2015三維設計大賽，大賽的主題是“優化設計提升產品性能”。共有7個單位近50位元設計工程師參加了比賽。對航天器部件結構進行拓撲優化後進一步重新設計。優化是追求卓越的需求，數位樣機與有限元技術為優化創造了無限可能，大賽的軟體工具即是solidThinkingInspire。
將原始的CAD資料導入Inspire，並隨後定義設計空間、約束條件及載荷工況。有些還對部件做了簡化處理，旨在將設計空間最大化，從而使Inspire可以最大程度地發揮設計自由度。接下來，每位工程師使用Inspire生成了理想的部件形狀，隨即有的工程師定義了更小的設計空間進行二次反覆運算優化並進行強度驗證，進一步完善了部件形狀。
像Inspire這樣一款工具可以與3D列印技術緊密協作，所生成的元件設計可為製造過程提供一定的自由度，從而具備最大程度地提升結構性能的優勢。採用這種方式將可以得到更強、更輕的零部件，而這往往是傳統製造技術難以實現的。。
借助Inspire所生成的全新材料佈局，得到了既可滿足性能目標又可達到減重之效的設計概念。之後，利用模型並結合自身的設計專業知識，圍繞概念生成了適合3D列印的幾何形狀。借助3D列印技術實現了新的結構設計。
3D列印模型展示
如同優化設計改變了我們日常的生活，優化設計也改變著航天器結構設計，已經有大量結構都是經過優化設計後的產物（桁架構型、複材鋪層、金屬結構拓撲、鈑金件起筋…）。
航太結構優化過程
結論
拓撲優化和參數優化是未來實現航天器結構輕質化的重要方法，同時3D列印技術的逐步實用化也將徹底改變設計受工藝制約的現狀，使設計師能夠專注于追求功能和力學性能的極致優化，從而設計出更加精美的作品。
solidThinking和3D列印技術的集成將帶來顯而易見的諸多優勢。Inspire可以提供創建載荷驅動型結構的最佳方法，並使航太行業能夠充分挖掘採用3D列印結構實現大幅減重設計的潛力。優化設計對接3D列印助力航太結構設計。
另外，solidThinking Inspire2016版本中新增的PolyNURBS功能，可在拓撲優化的基礎上快速擬合相應幾何，獲得適合用於3D列印的實體模型。目前這種技術已成功應用于衛星支架設計，非常適合構建造型複雜、適用於3D列印的結構部件設計。
通過賽前培訓、賽時實戰、賽後推廣的方式將新工具、新手段、新技術向全部設計工程師推廣，達到快速提升設計能力的目的。
“拓撲優化和參數優化是未來實現航天器結構輕質化的重要方法，同時3D列印技術的逐步實用化也將徹底改變設計受工藝制約的現狀，使設計師能夠專注于追求功能和力學性能的極致優化，從而設計出更加精美的作品。”
成志忠
北京空間飛行器總體設計部
留言列表
