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等离子发动机的工作原理是通过热能和电能将介质气化电离形成一定密度分布的等离子体,再通过电场和磁场将等离子体加速喷出产生反推力,实现推进功能。与传统化学推进发动机相比,具有结构简单、比冲高、携带推进剂少、技术成熟度高、空间适应性好等优点,在国内外空间飞行器上得到了广泛应用[1-2]。
等离子发动机全寿命周期需要经受运输、火箭发射、在轨运行等多个阶段的振动、冲击等动力学载荷。发动机在工作过程中将工质加热至量级为104K的高温后发生电离[3],发动机启动几十毫秒后结构最高温度大于3 000 K,产生较大的热变形。发动机安装结构除了满足结构强度、刚度和适应力学环境要求等基本因素外,还需具备良好的热变形补偿功能。作为空间飞行器的等离子发动机系统有着极为苛刻的结构轻量化要求,因此在满足性能的前提下,对发动机安装结构开展以减质为目标的结构优化工作是十分必要的。
等离子发动机安装结构优化需要解决在静力学和动力学条件约束下的结构构型优化及轻量化设计问题。参考近年来国内外研究成果,拓扑优化技术已经进入刚度、强度、传热、电磁和振动等领域,建立起多目标、多学科和多准则的优化设计架构,在工程实践中得到广泛应用[4],可以高效解决上述工程问题。高文俊等对拓扑优化在建筑结构工程中的结构构件布局、结构构型、构件形态设计等工程案例进行了总结与梳理[5]。朱黎明开展了基于拓扑优化的钢桥结构合理构型研究,用案例验证方法的有效性[6]。耿志卿等在木星探测器构型及轻量化设计中运用拓扑优化进行结构减质和振动频率调整,取得良好效果[7]。在动力学拓扑优化方面,国内外开展大量理论研究和工程探索,学者们将变密度法[8]、水平集方法[9]、均匀化方法[10]、渐进优化法[11]应用于动力学拓扑优化问题。朱继宏等[12]分析SIMP方法[13]产生局部模态原因,对比了SIMP方法和均匀化方法在处理材料去除时的差异,提出了描述结构空洞区域的多种体胞微结构,有效地避免局部模态的发生。滕晓燕等提出光滑双向渐进结构优化方法来解决以结构固有频率最大化为目标的动力学拓扑优化问题[14]。谢浩然等对扑旋翼飞行器机翼进行静力学和动力学拓扑优化设计得到机翼拓扑构型,优化了机翼的模态频率[15]。王端义等研究了在复杂随机工况下以减质为目标的带频率禁区的拓扑优化问题[16]。张允涛等采取拓扑优化的方法对轨姿控发动机典型试验夹具进行结构改进,改善了试验夹具的模态频率和动态响应特性[17]。
本文以某型等离子体发动机安装结构为例,研究了针对此类型结构在静力学和动力学条件约束下结构拓扑优化的设计思路和方法。首先,通过模态仿真分析原结构存在的缺点,寻找结构改进方向; 其次,应用拓扑优化设计方法得到满足设计要求的最佳结构构型; 最后,充分考虑结构装配工艺性要求,采用拓扑优化和尺寸优化相结合的方法得到实用的工程最优解。