[发明专利]基于响应面方法的带簧铰链结构多目标优化设计方法

说明书

基于响应面方法的带簧铰链结构多目标优化设计方法包含:建立带簧铰链的有限元模型；进行质量放大参数的参数敏感性分析；根据准确的质量缩放参数，对带簧铰链的弯曲和折叠进行仿真分析，并提取带簧铰链弯曲折叠过程中的弯矩转角变化曲线；建立以应变能和临界弯矩为目标，以铰链结构单元簧片的长度、厚度、截面半径和截面圆心角为设计变量，以屈曲控制方程为约束的多目标优化模型；基于响应面方法，拟合响应面方程，获得临界弯矩显式表达式和应变能显式表达式；采用改进的非排序遗传算法，对多目标优化模型进行求解计算获得最优化结果。本发明为空间可展铰链结构的设计提供简便可行的方法，缩短了设计周期，提高了工作效率，节省了设计成本。

技术领域

本发明为空间可展太阳能帆板的连接铰链提供一种最优化设计方法，适用连接卫星太阳能帆板的铰链设计。

背景技术

空间展开结构在地面以收缩状态被固定在运载舱内，一旦进入太空，在陆地端解锁锁定装置后，展开结构按照预定设计实现自动展开，以最简单的指令操作，一键完成展开、锁定、定位和在轨运行，同时要求不会发生干涉，且工作可靠，寿命长，成本低廉。目前较新颖的一种展开结构是簧片式铰链，此结构以质轻、展开可靠以及自动锁定等优点使其在空间展开结构中具有较为广阔的应用前景。簧片是一种开口圆柱壳结构，它在折叠过程中储存应变能，释放后可实现自动展开；在展开之后，又能够依靠自身的刚度实现自动锁定，从而在展开结构中不需要额外的驱动和锁定装置，大大简化展开结构设计。簧片是带簧铰链结构中的重要单元，其工作的稳定性制约着展开结构的运动精度和稳定性。簧片结构这种独特的力学性能在如太阳帆板等上得到了较好的应用。

带簧铰链由三片单簧片组成，其在折叠过程中的力学性能相对单簧片更优越，即最大应变能、临界弯矩、稳态弯矩等力学性能指标值较单簧片大。但是在折叠过程中，较大的临界弯矩需要更大的外界载荷，而过大的外载可能导致簧片铰链的屈服失效。因而需要对簧片铰链的临界弯矩进行相应的控制。同时带簧铰链折叠过程中的非线性导致的传统算法不收敛以及材料屈服，可引入准静态方法和屈服控制方程进行相应的解决。另一方面，簧片力学性能受到其自身几何参数影响较大，任意参数的变化均会导致带簧铰链力学性能的变化，因而为了准确把握带簧铰链结构的设计，减小铰链结构设计成本，进行相应的力学性能优化设计尤为必要，该研究具有一定的理论意义和实际应用价值。

发明内容

本发明克服了现有技术不足，例如静态分析不收敛，优化目标少，设计变量少等技术问题。针对带簧铰链结构，提供了基于响应面方法的多目标、多设计变量的优化方法。该方法一方面解决了针对较大非线性带簧铰链折叠展开的高效、准确计算方法；另一方面，为了避免了重复繁琐的试算过程，将响应面优化方法引入其中，为可展带簧铰链结构的设计提供简便可行的方法，从而缩短了带簧铰链的设计周期，提高了工作效率，节省了设计成本。

本专利所述优化方法整体思想为，针对所设计的铰链结构进行有限元数值分析，探究弯矩随转角的变化规律，获取临界弯矩，基于响应面方法建立以应变能和临界弯矩为目标，铰链几何参数为设计变量，屈服控制方程为约束的多目标优化模型，并对优化模型进行求解，最终获得优化结果。优化设计的方法技术流程图如图1所示。本发明的详细技术方案如下：基于响应面方法的带簧铰链结构优化设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据带簧铰链在连接太阳能帆板中的实际运行环境，建立带簧铰链的有限元模型；

第二步，基于第一步的有限元模型设置，在显示动力学分析步设置中，引入直接定义缩放因子和定义期望的时间增量，进行质量放大参数的参数敏感性分析，得到准确的质量缩放参数；其中在分析过程中需要观察动能和应变能的比值，当动能和应变能比值小于1％时，此时的质量缩放参数即为准确的缩放参数；

第三步，根据第二步获得的准确的质量缩放参数，对带簧铰链的弯曲和折叠进行仿真分析，并提取带簧铰链弯曲折叠过程中的弯矩转角变化曲线；