案例分享|卫星支架:适用于失重条件的轻量化结构
通过创成式设计创建仿生结构,最大化太空设备的有效载荷。将技术设备送入太空需要付出巨大的努力,这其中也包含对轻质结构的设计。创成式设计使复杂的优化过程变得十分简单和自动化。 德国卫星专家Tesat-Spacecom的案例证明了这种方法的可靠性。将火箭发射到太空中不仅备受关注,而且成本也很高。 需要大量的特殊燃料来产生足够的推力,使质量庞大的火箭达到失重状态。 每个卫星都需要保证达到其最低的质量,才能更好地利用有效载荷。只有减轻本身的重量,才能让卫星承载更多的技术手段,从而获得更多的知识或收益,甚至可以使它运输另一颗卫星,从而降低单位成本。但按照传统经验,优化结构的过程十分复杂且漫长,往往到产品开发的最后阶段,才能开发出结构部件,但是在组装过程的早期阶段就需要用结构部件。所以漫长的优化周期会推迟日程,并使过程复杂化。应用德国航空航天中心(DLR)的海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)卫星旨在太空中测试新通信技术,其中包括微波滤波器及其驱动器的安装。 Tesat-Spacecom负责设计这颗卫星上的有效载荷,并且接了实现最大程度轻量化并保持组件稳定的设计任务。 现有的传统设计其重量为164g,可用作创成设计起始的几何。将传统组件结构导入MSC Apex Generative Design中,并使用软件的建模工具进行调整。 首先,必须定义设计和非设计区域。 只需单击几下相应的专用功能按钮,即可添加因安装过滤器和驱动器而产生的载荷和其他的运输载荷。 在指定材料并设置各种优化参数后,就可以开始进行优化。 软件能够自动生成像素网格,并通过计算每个单元产生的应力来逐块减少材料。将传统设计分为设计和非设计区域,并提供好了载荷,准备使用MSC Apex Generative Design进行优化。解决方案在经典的拓扑优化中,很难在短暂的开发周期内实现结构轻量化。 但是,MSC Apex Generative Design这款创成式设计软件的创新优化算法能够在短时间内实现卫星组件结构的优化。当应力值小于目标应力,软件就会减轻重量,同时始终确保整个组件的应力分布均匀。 在每次迭代后,在考虑生成的结构和组件的基本结构的基础上,平滑算法会生成光滑且均匀的表面。MSC Apex Generative Design中的原始设计与优化后设计的比较结果最终的轻量化结构,重量减轻了55%,降到75g。 这结果令人十分惊喜,因为起始的组件已经经过了传统意义上的轻量化设计。 除了减轻重量外,应力也减少了31%,同时,刚度提高了79%。 这个设计只用了短短几天的时间就开发完成了,并且可以直接从MSC Apex Generative Design导出来直接进行制造。目前为止,该软件解决方案专注于增材制造工艺,因为相对于原始模型,其将会创成具有复杂组织形状的几何设计,所以目前只能通过增材制造的方式来生产。结合MSC Software的增材制造仿真软件Simufact Additive,可以有针对性地、结合实际制造要求对结构进行调整和优化。 也可以导入软件中并直接处理优化结果。结论MSC Apex Generative Design针对在“太空旅行”的高要求进行了优化。 凭借极其轻巧的结构以及应力和刚度值的改善,能够更好地利用区域的有效负载。 MSC Apex Generative Design提供创成式优化可以快速进行轻量化设计的开发,然后直接导出设计结果并进行下一步处理。 MSC Software提供了用于验证和仿真的所有必要工具。结构部件的最终设计减轻了55%的质量,同时增加了刚度。关注MSC官方公众号查看更多技术案例、会议信息、培训公告
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