摘要:本文应用 HyperMesh 软件对某卫星天线机构铰链进行了减重优化。优化过程以铰链锁定状态时的刚度响应为约束条件，以减轻铰链质量作为目标。最后本文给出了铰链优化前后的有限元模型及减重以后的整个机构的质量和刚度结果。
  天线机构是卫星、飞船、和空间站必不可少的主要部件，当飞行器进入预定轨道后，天线机构就在展开锁定机构的作用下由折叠收拢状态展开至锁定状态。本文进行优化分析的铰链机构即为某型号卫星的天线展开锁定机构。铰链将天线与星体连为一体，天线展开时在主展开机构的驱动下铰链带动天线侧板展开，展开到位后铰链自动锁定，并保持一定的刚度，以满足天线展开频率和在各种载荷作用下卫星天线机构所要求的在轨平面度；此外，还要使得铰链的质量最小以降低成本。因此有必要对铰链进行合理的设计，在刚度和质量之间寻求一种平衡使之达到最优配置。
  鉴此，本文采用HyperMesh对铰链做了初步的拓扑优化分析，从建模计算到结果评价进行了卓有成效的探讨。优化过程以铰链锁定状态时的刚度为响应要求，以减轻铰链重量作为目标，最后计算结果给出了优化后的铰链的拓扑结构、质量以及在各个工况作用下的刚度情况。并且对铰链优化前后的刚度值和质量与目标刚度值和质量进行了对比，以考察和评价优化获得的结果。

优化分析模型
  从图1可以看出铰链是一个机构系统，很难用有限元方法对整个铰链机构进行拓扑优化。主要是因为其间涉及到接触非线性分析，想要获得比较满意的优化结果有很大困难，鉴此本文将其简化分以下几个步骤进行：
  a.依据给定的工况和边界条件将铰链机构简化成三个部分，即公铰链、母铰链和锁定销，由于锁定销质量较轻，减重的余地不多，主要对公铰链和母铰链分别进行拓扑优化。
  b.对拓扑优化后的公铰链、母铰链和锁定销进行装配(通过施加约束方程将锁定后的铰链机构近似为一个结构)，校核整个机构的刚度情况。
  优化分析所需的计算参数包括两部分，一是模型的几何参数，另一个是模型的材料参数。模型的几何参数已经体现在CAD文件中，铰链全部采用钛合金TC4材料，材料的物理和力学特性如下：

  边界条件见图1、表1和表2，在铰链锁定状态下，将公铰链一端的四个孔固支约束，母铰链一端的四个孔施加六种工况的载荷，载荷方向和大小见表1和表2。优化计算过程中的参考坐标系如图2。

公铰链、母铰链的拓扑优化分析
  图3和图4分别是母铰链和公铰链在没有进行拓扑优化前的有限元模型。拓扑优化的工况和边界条件依据某卫星天线锁定状态时的铰链静刚度试验来确定，具体的简化过程如下：

  对于母铰链部件,由图1所示，在母铰链的四个孔处施加X、Y、Z 三个方向的拉压和剪切力,同时也会产生绕X、Y、Z 三个轴的扭矩，在转轴A和接触点 C、D 三个部位施加约束，见图3。载荷和工况见表1：