Altair Taiwan Blog

Altair解決方案在下列領域具有技術優勢：

• 航天器有限元建模與視覺化
• 航天器結構分析
• 航天器結構優化減重
• 航天器碰撞與衝擊模擬
• 航天器多體動力學分析及優化
• 航天器複合材料設計、分析及優化
• 航天器增材製造與3D列印
• 航天器電磁分析

航天器有限元建模與視覺化

現代航天器研發過程中，零件和裝配越來越多，網格越來越精細，模型規模越來越大，模型管理日趨複雜。

Altair HyperMesh™是一個高品質、高效率並且開放的有限元前處理平臺，可以創建、管理複雜的大規模有限元模型，提供從導入CAD到匯出可計算檔的一體化解決方案。

• 高度交互的視覺化環境
• 廣泛的CAD、CAE和CFD軟體介面，無縫接入現有模擬工作環境
• 高品質、高效率的1D、2D和3D網格劃分和網格編輯技術
• 強大的模型裝配及管理功能，輕鬆創建、管理零件連接
• 先進的網格變形技術，可在網格模型上直接實現方案更改
• 開放的環境與數量眾多的API，靈活進行工具、流程的定制開發

                       GPS衛星模型                         

以色列第一個月球著陸器Space IL Beresheet

航天器結構分析

結構強度、剛度、振動和疲勞是航太設備的重要考察指標，通常需要和相關物理試驗進行對標。典型應用包括：

• 火箭、導彈、衛星整體及部件剛強度分析
• 彈體、衛星固有頻率分析
• 飛行器熱設計
• 導彈出筒、出水時結構回應及強度
• 彈體受水衝擊的強度問題
• 飛行器在運輸、發射、飛行過程中的振動衝擊回應和疲勞分析
• 在軌飛行器的疲勞問題
• 複合材料結構的強度分析
•  

現代航天器研發過程中，零件和裝配越來越多，網格越來越精細，模型規模越來越大，模型管理日趨複雜。

Altair HyperMesh™是一個高品質、高效率並且開放的有限元前處理平臺，可以創建、管理複雜的大規模有限元模型，提供從導入CAD到匯出可計算檔的一體化解決方案。

NASA Lunar Prospector級間結構模態分析

應用： 航太某相機焦面結構分析

焦面結構元件是衛星相機的關鍵元件，集光、機、電、熱於一體。為了適應發射階段和在軌階段的力學環境要求，必須對關鍵部件進行力學分析與試驗。焦面結構元件如下圖所示，主要包括結構基體、反射鏡、探測器元件以及探測器驅動電路盒等。

利用HyperMesh進行了結構前處理，利用OptiStruct進行了模態以及正弦掃頻分析。

通過模態分析結果來看，一階頻率在900Hz以上，滿足設計要求。正弦掃頻時900Hz以內沒有明顯的加速度放大。在1000Hz左右測試敏感點的加速度放大倍數在1.5~1.8之間，滿足設計要求。

圖-焦面結構元件模型和前5階頻率

航天器結構優化減重

焦面結構元件是衛星相機的關鍵元件，集光、機、電、熱於一體。為了適應發射階段和在軌階段的力學環境要求，必須對關鍵部件進行力學分析與試驗。焦面結構元件如下圖所示，主要包括結構基體、反射鏡、探測器元件以及探測器驅動電路盒等。

利用HyperMesh進行了結構前處理，利用OptiStruct進行了模態以及正弦掃頻分析。

通過模態分析結果來看，一階頻率在900Hz以上，滿足設計要求。正弦掃頻時900Hz以內沒有明顯的加速度放大。在1000Hz左右測試敏感點的加速度放大倍數在1.5~1.8之間，滿足設計要求。

OptiStruct擁有全球最先進的優化技術，提供最全面的優化方法，在工業界經過了二三十年的驗證，得到了廣泛應用。其主要優勢有：

• 優化結果接近工程實際，更易採用
• 內置回應類型全面，還支持用方程，程式碼和Excel檔自訂回應
• 優化演算法穩健高效
• 實用的製造加工工藝參數控制
• 完整的複合材料優化流程
• 多模型優化、失效安全的拓撲優化、柵格結構優化、顯式工況優化等一系列引領潮流的優化技術

應用：衛星支架的結構優化

Thales Alenia Space是歐洲航空航太製造商，該公司設計，集成，測試，運營和交付在國防，地球觀察，通訊，導航和安全領域的航天器，大約有7,500全球員工。得益於Altair在設計優化領域的專業知識和航空航太領域的實施經驗，Thales Alenia Space選擇Altair合作研究優化設計技術和增材製造的應用。

在一個鋁制支架設計中，使用OptiStruct拓撲優化技術，考慮熱應力、模態頻率的情況下，品質減少了48%，遠超當初設定的減重15~20%的目標。

支架最終設計渲染圖

航天器碰撞與衝擊模擬

在航太領域有碰撞與衝擊模擬有廣泛應用，包括高負載，大變形等複雜工況，涵蓋航太產品的整個生命週期。典型應用有：

• 航太元器件高負載情況下的脫焊與失效問題
• 航天器液體容器在高負載，複雜運動情況下的液體晃動問題
• 航天器在軌空間碎片衝擊問題（10公里/秒）
• 宇航員在發射與再進入過程中，人體損傷評估
• 航天器陸地/水上回收，以及回收設備（降落傘，緩衝氣囊等）性能分析

Altair Radioss™是著名的非線性通用顯式分析軟體，可解決瞬態載入工況下結構的幾何非線性（大位移、大轉動和大應變）、材料非線性和接觸非線性等非線性問題；也可以用於計算動載荷、靜載荷下的固體結構、流體、流固耦合等問題。

Radioss 具有先進的混合並行求解技術，高級品質縮放技術，多域求解技術，擁有完整的材料本構和失效模型庫，支援多物理場類比技術，具有歐拉演算法、任意歐拉-拉格朗日演算法（ALE）、光順粒子法（SPH）和有限體積法（FVM）。

中國太空人中心載人航天器人體損傷評估

航天器回收：航空器硬著陸

低速、亞音速、超音速降落傘展開 （動圖1）

航天器多體動力學分析及優化

航太飛行器中存在大量的運動機構，如航天器對接過程中考慮減小碰撞力，調整對接部件的位置和姿態等，太陽能帆板展開，雷達運動、電機運動等，必須運用多體動力學技術對其進行分析和設計驗證，獲取荷載曲線以調整控制參數。

Altair MotionView™ 和 Altair MotionSolve™是通用的多體動力學前處理器和求解器，提供了一個易用、介面友好的多體系統建模環境，其內置的參數化建模和層級化建模語言可以使使用者在物理樣機出來之前快速實現機械系統的建模、分析和改進。

MotionSolve分析功能包括運動學、動力學、靜力學、准靜力學、線性和振動分析，具有全面的多體動力學解決方案來優化機械系統的性能，可以方便快捷的機構系統建模、分析、驗證和優化，通過客戶合作進行了大量的實驗資料和模擬資料的對標，得到汽車、航空航太、通用機械等多個行業的驗證。

應用：衛星帆板剛柔耦合模擬

利用多體動力學分析可以考察衛星在太陽帆板展開過程中，帆板的振動、變形及支架載荷的變化，還可以分析鎖定裝置的工作過程。星體近似為剛體，帆板採用柔性體。

衛星帆板展開過程接頭力變化 （動圖2）

衛星帆板展開過程應力變化（動圖3）

應用：某衛星天線機構鉸鏈減重優化分析 

航太飛行器中存在大量的運動機構，如航天器對接過程中考慮減小碰撞力，調整對接部件的位置和姿態等，太陽能帆板展開，雷達運動、電機運動等，必須運用多體動力學技術對其進行分析和設計驗證，獲取荷載曲線以調整控制參數。

Altair MotionView™ 和 Altair MotionSolve™是通用的多體動力學前處理器和求解器，提供了一個易用、介面友好的多體系統建模環境，其內置的參數化建模和層級化建模語言可以使使用者在物理樣機出來之前快速實現機械系統的建模、分析和改進。

MotionSolve分析功能包括運動學、動力學、靜力學、准靜力學、線性和振動分析，具有全面的多體動力學解決方案來優化機械系統的性能，可以方便快捷的機構系統建模、分析、驗證和優化，通過客戶合作進行了大量的實驗資料和模擬資料的對標，得到汽車、航空航太、通用機械等多個行業的驗證。

圖-鉸鏈機構示意圖   

圖-優化前的鉸鏈機構模型          圖-優化後的鉸鏈機構模型(減重23%)

航天器複合材料設計、分析及優化

由於複合材料具有品質輕、較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波, 吸波隱蔽性、可設計性、製備的靈活性和易加工性等特點，所以是製造飛機、火箭、導彈、航太飛行器等產品的理想材料。

Altair公司具有全面的複合材料設計、分析、優化能力，為複合材料有限元模擬和優化提供完整的解決方案：

• 複合材料建模，支援複材設計軟體FiberSim和CATI資料導入
• 複合材料鋪層設計
• 複合材料分析（微觀、宏觀、驗證和材料庫等）
• 複合材料優化

複合材料一站式解決方案

應用：XMM–Newton 太空望遠鏡

X射線太空望遠鏡，是歐洲航天局建造的最大科學衛星, 發射於1999年。其中的複合材料望遠鏡顯像管由芬蘭Patria 公司建造，這一顯像管的層合板結構由芬蘭赫爾辛基技術大學輕型結構實驗室採用ESAComp進行設計。

借助ESAComp材料庫和鋪層設計工具和板，梁，筒的穩定性分析功能，進行複合材料的選型設計和驗證分析。

應用：阿裡亞娜 5 – ACY 結構

ACY 5400是一個外掛程式模組用來擴展阿裡亞娜5的有效載荷以提供更大衛星的發射服務，結構設計與建造工作由瑞士Contraves Space AG公司完成，ESAComp 使用在材料選擇和層合構件的優化。

航天器增材製造與3D列印

增材製造技術已在衛星與火箭等航太製造領域顯示出重要的發展價值和應用潛力。調查顯示，其在航空航太工業領域的應用份額已占全部應用領域的10%以上。增材製造在航太工程的應用中，具有許多優勢：

• 使幾何形狀複雜的部件成為可能
• 提供更大的重量優勢
• 顯著降低組件數量

圖 國際空間站上列印的套筒扳手

X射線太空望遠鏡，是歐洲航天局建造的最大科學衛星, 發射於1999年。其中的複合材料望遠鏡顯像管由芬蘭Patria 公司建造，這一顯像管的層合板結構由芬蘭赫爾辛基技術大學輕型結構實驗室採用ESAComp進行設計。

借助ESAComp材料庫和鋪層設計工具和板，梁，筒的穩定性分析功能，進行複合材料的選型設計和驗證分析。

Inspire Print3d 列印過程模擬 （動圖4）

下圖是一個典型的增材製造優化設計流程，首先根據給定的設計空間、材料屬性以及受力需求生成理想的形狀，設計人員根據優化結果進行再設計，隨後對優化結果或重構幾何進行分析驗證，然後經過工藝模擬確認，最後輸出檔給印表機。

應用：Altair Inspire輔助設計RUAG衛星支架

下圖是一個典型的增材製造優化設計流程，首先根據給定的設計空間、材料屬性以及受力需求生成理想的形狀，設計人員根據優化結果進行再設計，隨後對優化結果或重構幾何進行分析驗證，然後經過工藝模擬確認，最後輸出檔給印表機。

圖 Altair Inspire輔助設計3D列印衛星支架

應用：面向增材製造的衛星斜裝動量輪支架優化設計

“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，並隨衛星成功飛行。目前該衛星已經成功入軌，狀態良好，開始執行既定任務。”

航天器電磁分析

Altair Feko是專業的電磁場模擬工具，其全面的電磁求解演算法及業內最成熟的多尺度電磁計算能力能夠高效解決航太領域的電磁模擬問題。航太領域的電磁模擬問題主要包含：衛星、火箭、航太飛船等航天器涉及的天線設計、天線佈局、天線罩、電磁相容（EMC）、雷擊、高功率輻射場（HIRF）等。Feko支持矩量法、高階矩量法、有限元、多層快速多極子和全面的高頻求解器（物理光學、射線幾何光學等）等，並支持不同求解器之間的混合求解，在航太領域有著廣泛的應用。以天線+載體的輻射性能分析、多天線的隔離度計算為例，設計師必須評估天線在具體的佈置環境中的性能參數，在大部分的設計中天線不能夠獲取足夠理想的佈置環境，周邊的許多部件會對天線的輻射性能產生影響，Feko能夠在產品開發的各個階段對天線+載體的輻射性能進行快速求解、對天線佈置的方案進行優化，確保無線通訊設備的覆蓋符合技術規範的要求。

天線+衛星 輻射性能分析