考慮姿態(tài)控制成本的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化.pdf

1、連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一門研究材料的最優(yōu)分布的學(xué)科，近十幾年來，在理論研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域，連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的理論得到了廣泛的關(guān)注。連續(xù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化里最具有挑戰(zhàn)性的學(xué)科。連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題的方法總體上分為兩類，即宏觀方法——如泡泡法、水平集方法和微觀方法——如均勻化方法、變厚度法、SIMP方法等。本文研究重點(diǎn)就是基于變密度法的考慮姿態(tài)控制成本的三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。 SIMP方法引入了材料密度可變的假想各向同性實(shí)

2、心材料，將材料密度作為設(shè)計(jì)變量，并人為假定了材料參數(shù)與材料密度的關(guān)系，采取某種策略對(duì)最優(yōu)結(jié)果中材料密度的分布進(jìn)行解釋和處理，得到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?。近期研究指出，SIMP方法中對(duì)人工材料本構(gòu)模型所做的假定可以具有實(shí)際的物理背景，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了該方法的理論基礎(chǔ)。 本文研究了考慮縮減姿態(tài)控制成本的新型飛行器部件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。飛行器姿態(tài)控制的驅(qū)動(dòng)扭矩與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間存在密切的聯(lián)系。研究表明，姿態(tài)控制推進(jìn)器所消耗的壓縮冷氣體正比于結(jié)

3、構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。所以，這也表明減少結(jié)構(gòu)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是為了減少姿態(tài)控制成本。 此外，本文還以考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)體材料最優(yōu)分布問題為背景，提出并求解了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約束下的三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題。常規(guī)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化通常構(gòu)造為給定材料體積約束下的結(jié)構(gòu)最小柔順性問題。本文指出，引入結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約束對(duì)于回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化具有重要意義。并將重量約束下的優(yōu)化準(zhǔn)則法計(jì)算格式拓廣到單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約束下的最小柔順性問題，而對(duì)于包含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約束的多約束