引言

    航天器整流罩作为飞行器的重要部件，在飞行过程中承受轴力，弯矩和外压等外载荷，在外载荷作用下，整流罩应有足够的强度和刚度保证不破坏，不失稳，同时整流罩作为有效载荷的保护罩，飞出大气层后，保护作用完成，此时已成为多余的质量，为了提高效率，增大运载能力，整流罩会被适时抛掉，因此其结构质量应当尽可能轻。某航天器整流罩壳体初始设计方案外压稳定性不满足设计要求，需要改进设计。为了满足强度、刚度和重量的要求，提高结构承载能力，缩短结构设计选型周期，对整流罩结构进行分析与优化设计是非常必要的。
    本文采用OptiStruct求解器对整流罩初始设计方案进行分析，选择整流罩壳体厚度来进行尺寸优化，使其在满足整体强度、刚度和稳定性的情况下重量最轻，并对优化方案结果进行对比分析，确定出供后续详细设计的参考方案。

1、优化问题的数学表达
优化设计可归结为求解一组设计变量，且满足约束条件，而其目标函数最小，优化问题可以归纳为以下数学模型：

    OptiStruct 求解器具有强大的优化功能，其尺寸优化可以对有限元模型的各种参数进行优化，从而实现减重的目的。而且尺寸优化支持离散优化，即优化出来的尺寸为离散数值，可以直接满足设计中的选材要求。

2、整流罩初始设计方案分析
1).有限元模型
    某航天器整流罩壳体主体结构由前锥和后锥组成，有限元建模时壳体采用四边形壳单元，有限元模型见图1。整流罩壳体采用复合材料加工，前锥和后锥厚度可不同，在环境温度下的材料力学性能参数见表1；整流罩在飞行过程中受到气动力和惯性力共同作用，经过对载荷进行分析后，归纳出整流罩后端面弯矩最大和壳体外压最大两种计算工况，计算工况载荷具体见表2。施加截面剪力和轴力时通过RBE3单元实现，加载方式见图2。

2).计算结果
整流罩壳体初始设计方案在弯矩最大工况最大位移3.4mm，位移云图见图3；最大应力发生靠近端框附近，应力大小54MPa，应力云图见图 4；在外压最大工况下屈曲变形云图见图5，一阶屈曲因子0.66，壳体结构容易发生屈曲，稳定性不满足设计要求，需要进行改进设计。

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链接:航天器整流罩结构分析与优化 (二)