一、前言
卫星研制是一项高成本、高技术、高投入、高风险的系统工程。设计重量的降低以及设计周期的缩短成为卫星研制过程中两个非常突出的问题。尤其是设计重量的降低，它有助于提升有效载荷的比重，提高整个航天器的机动性，同时降低发射成本，提高整个卫星研制单位的竞争力。
卫星在发射时要承受复杂的静态、动态载荷，在轨运行时又要承受低振幅的扰动。因此，卫星结构重量的降低程度以及精确结构的稳定度，对于整个卫星设计重量有着决定性的影响，是卫星成功与否的关键。传统的计算机辅助设计/分析工具只是帮助设计者辨识哪些区域满足应力要求，那些区域应力过大，从而帮助设计者提高设计质量。但是，当设计变量和约束过多，设计要求考虑结构动力学的时候，这种人工设计方法 变得越来越困难，有时甚至是不可能的。这个时候借助于计算机的优化设计方法便显得十分必要了。
国外汽车工业从20世纪90年代初就已经开始了这方面的研究，至今已经得到了比较广泛的应用，应用范围从公共汽车、轿车到货车几乎涵盖了所有现有车型。大多数的国外汽车企业如宝马、丰田、奥迪和福特等企业均不同程度的采用了拓扑优化技术进行汽车的整体及局部设计，而国内汽车企业只有极少数企业在局部构件的设计上应用了该技术。航空领域的典型应用要数2003年Altair公司、Airbus公司和BAE SYSTEMS公司三方技术人员共同使用HyperWorks对A380机翼进行减重设计的 案例。图1便是优化设计后的结果。第一阶段采用传统基于应变能的拓扑优化方法得到最佳的设计方案，随后根据稳定性和应力约束的要求使用尺寸和形状优化方法来进行细节设计。仅仅用一星期的时间便完成了13根肋板的设计工作，并达到了单架飞机减重500kg的好成绩。
考虑到卫星工程设计以及应用的特殊性，尽管一些专家对这一领域的拓扑优化技术进行了深入的研究，但还没有达到应用的成熟程度。鉴于此，本文着重介绍美国Altair公司分析及优化软件HyperWorks以及其在卫星机构设计中的应用前景，以期能够为国内同行提供一些参考，从而提高我国卫星的整体设计水平，增强我国航天企业在国际市场上的竞争力。
二、HyperWorks的主要功能模块
HyperWorks集成了设计与分析所需各种工具，是一种用户界面友好、功能强大的开放性CAE平台。主要包括HyperMesh、MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt和OptiStruct 六个模块。基本可以满足工程实际过程中设计、分析和数据处理等功能要求。本文结合卫星工程的特点着重介绍结构拓扑优化以及分析主要用到的HyperMesh、OptiStruct两个功能模块，并对其他模块做简要介绍。
1.HyperMesh功能模块
HyperMesh是一个高性能、开放式的有限单元前后处理器，能够在高度交互性和可视化的环境下验证及分析多种设计情况。这种高性能的有限元建模和后处理大大缩短了工程分析的周期，提高了分析的质量和真实度。HyperMesh具有如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和PATRAN等工业界主要的CAD数据格式接口，避免重新建模的麻烦。
HyperMesh提供了整理和改进输入几何模型，消除缺损和孔的工具。使用这些工具可以方便的进行相邻曲面边界的压缩，消除缺损、孔，修补面、体等，从而提高网格划分的总体速度和质量。同时具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，及时检查并改进网格质量，大大降低了用于建模和网格划分的重复工作和费用。
自动网格划分模块是一个智能的网格生成工具，同时可以根据需要调整每一个曲面或边界的单元密度、单元长度变化趋势以及网格划分算法等网格参数。设计者可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模块进行2D和3D有限元模型的建立。HyperMesh能够快速利用高质量的一阶、二阶四面体单元自动进行封闭区域的网格划分。四面体自动网格划分模块应用强大的AFLR算法，设计者可以根据结构和CFD建模需要来选择浮动或固定边界三角形单元，对于一些不理想的局部区域可以选择重新划分。
HyperMesh提供强大、完备的后处理功能组件，使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表达结果，帮助设计者准确地理解复杂的仿真结果。HyperMesh支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示。可以直接生成BMP、JPG、EPS和TIFF等格式的图形文件及通用的动画格式。
2.OptiStruct功能模块
OptiStruct是基于有限元的结构分析及优化软件，主要用于概念设计以及改进设计。内部包含一个快速、准确的有限元求解器，设计者可以使用标准的单元库和类型广泛的边界条件来优化线性静力和固有频率问题。可以优化出基于应力、位移、固有频率和拔模斜度等多种约束条件下的具有最小重量和最大性能的结构。OptiStruct包含的实用程序OSSmooth可以生成IGES文件，可以方便地将拓扑优化结果反馈到CAD系统，为进一步的分析、细节优化以及加工提供了方便。OptiStruct模块主要包括以下几种功能。
(1)拓扑优化(topology optimization)。在给定的设计空间内，找出满足工程实际性能约束条件下最佳的材料分布。OptiStruct采用先进的逼近和优化方法来找到优化的载荷路径，提高了优化的效率和速度。
(2)形状/尺寸优化(shape/size optimization)。在保持结构拓扑和形状不变的前提下寻求结构的最佳截面尺寸，从而使结构满足设计者的意图和目标。
(3)形貌优化(topography optimization)。该技术可以在薄壁结构上进行冲压筋位置、数量、方向、最大槽深及拉伸角度等参数的优化。OptiStruct可以自动提供设计变量的建立和优化控制，还可以使用OSSmooth生成的几何模型反馈到CAD系统进行进一步的性能分析和仿真。
(4)可制造性优化设计。在拓扑优化设计同时加入拔模斜度、拔模方向和局部最小/最大尺寸等影响加工制造的因素为约束条件，这样使得结果的可制造性大大提高。这一技术主要用于铸件结构的优化设计上。
(5)焊接、铆接优化。可以最优化布局结构焊点数目，通常才用最小化焊点体积作为目标。OptiStruct的“*.hm.compcommand”文件包含焊接的使用推荐级别信息。
3.其他功能模块
MotionView是通用动力学系统仿真及工程数据的前后处理器和可视化工具。可以进行数据图表绘制和高性能交互式三维动画，同步多图动画及图表绘制，整合各种来源的工程数据并形成图表，能够对复杂多体系统仿真结果进行解释和表达。MotionView具有方便的用户化接口，支持ADAMS、SIMPACK等多种动力学仿真软件。
Hyper Graph是一个强大的数据分析和图表工具，集成很多流行的文件接口。高度完善、先进的数学引擎能够处理最复杂的数学表达式。HyperGraph能够通过数学表达式从已有的曲线建立新的数学曲线，内建150多个数学函数和运算符。同时可以进行信号处理、曲线拟合、滤波、特征系统分析、积分和微分以及统计分析等复杂的数学运算。
HyperForm是使用逆向逼近方法进行高性能金属板材成型仿真的有限元软件。它集成了HyperMesh的优异性能，可以让零件设计人员、冲模设计人员快速进行冲压零件的多种解决方案的对比，帮助他们辨别并改正潜在的冲压问题，使试验时间大大缩短，从而生产出更高质量的零件。
HyperOpt是一个非线性优化工具，可以使用任意的分析代码，应用各种分析软件进行参数研究和模型调整。设计参数可以是任意实际输入的数值或节点的位置。目标函数可以最大、最小，也可以规定大于、等于或者小于一个指定值。
三、HyperWorks在卫星结构设计中的潜在应用
目前，卫星结构设计主要利用有限软件首先对结构进行分析得到结构的应力云图，进一步结合工程实际的经验以及模型试验对结构进行修改。设计过程往往不是一次能够完成的，需要反复修正，浪费了大量的人力和物力成本。HyerWorks改变了这种传统的设计思路，使得产品的问题在设计阶段便可以被发现、修正，缩短了设计周期和成本。下面结合卫星结构设计的实际来分析HyerWork在卫星结构设计中的潜在应用。
1.主承力结构
主承力结构就是卫星的脊椎骨，支撑着整个卫星的重量。因此，主承力结构要求具有极强的刚性、稳定性和高的动力学特性。例如，FY-2系列卫星主承力筒均采用铆接结构，铆接点的分布与数量基本是工程经验的积累，这种冗余设计必然要被精细化、精确化设计所替代。OptiStruct能够在保证结构静力学、动力学要求的前提下合理布置铆接点的位置和数量，从而降低结构重量。
2.蜂窝结构材料
蜂窝结构材料以其质量轻、刚性好而受到航天领域的亲睐。卫星结构的支撑板、仪器板均采用蜂窝结构材料，例如F Y-2号卫星的仪器板。这些材料通常是从复材厂家直接购买，当有些部分不能够满足实际使用时便要加入辅助的支撑构件，无疑也增加了整个卫星的重量。OptiStruct能够根据实 际结构需要设计蜂窝单元的形状和排布方式，按照实际需要合理地分配结构的刚性，减少了附加辅助支撑构件。
3.高精度单机的支撑结构
卫星上许多单机和系统对于其支撑结构的稳定性要求极高。例如，FY-2卫星轴向发动机支撑结构是碳纤维材料做成的三脚架结构，因为放大量级太大而不得不包覆橡胶并缠绕碳布来增强其稳定性。FY-2卫星的扫描辐射计是一个光学系统，结构稳定性的高低直接决定着有效载荷的精度和拍摄效果，也就是整个卫星性能的高低。此外，卫星的工作环境温差很大，温度给光学系统带来的误差是不能忽略的因素。使用OptiStruct可以设计出不受温度影响的所谓“热钝”材料，许多高校和研究机构已经在这方面作了大量的研究工作。这项技术的成熟一定会带来卫星性能的大幅度提高。
4.铸件
卫星结构中也用到一些铸件，多数是镁合金，例如FY-2卫星南北红外地平仪支架、起旋肼瓶支架和大肼瓶支座等。使用HyerWorks可以在这些构件优化设计的时候加入拔模斜度约束、最小尺寸约束和最小倒角约束等，从而降低构件在铸造过程的不合格率。
四、实例分析
卫星转接环是连接卫星与运载的主要承力结构，工作环境复杂、结构刚性和动力学特性的好坏直接影响发射任务的成功与否。K.K.Sairajan在不影响原有结构刚性、动力学特性以及其他子系统特性的情况下对原结构进行了重新设计，结果减重0.8kg，一阶频率提高2.58Hz。采用2-D四边形壳单元对转接环结构进行了有限元划分，共2699个节点2865个单元，如图2所示。优化后转接环剖面图，表1对比了优化设计前后结构总重量，一阶、二阶固有频率，表2给出了个组成部分材料及其重量。
五、卫星结构设计应用HyperWorks的几点建议
目前，国内卫星研究院所结构设计仍然采用传统的尺寸优化方法，往往采用冗余设计的方法来保证结构的可靠性。随着对卫星性能要求的日益提高、竞争的日益加剧，对于卫星结构设计的要求变得越来越苛刻，因此拓扑优化的优越性变得越来越明显。为了结构设计能够适应卫星工程发展的要求，为了HyperWorks软件能够更好地应用于卫星结构设计领域，笔者主要有以下几点建议。
(1)尽快组织一支工程技术丰富、专业理论扎实的科研队伍，从理论和实践相结合的角度出发对卫星结构拓扑优化进行深入系统的研究，为下一步的实际应用奠定基础。
(2)与高校联合进行拓扑优化基础理论的研究，在HyperWorks平台的基础上二次开发出适用于卫星结构拓扑优化特点的准用软件。相比较于传统的结构，卫星结构的工作环境苛刻，载荷条件复杂，面向一般工程实际结构设计的拓扑优化模块OptiStruct并不能够完全适用于卫星结构的要求。高校具有得天独厚的资源优势、大批优秀的理论专家、极具创新思维的年轻研究者，这样必能够在理论上弥补研究所的不足。
(3)组建一支专门的试验队伍。考虑到卫星结构环境的特殊性，新的技术的应用必然要经历反复的模拟环境试验的验证，有些技术甚至要搭载卫星进行实际环境的试验验证。尽管研究所有专门的试验室、试验人员，但是研究所受型号任务急缓的限制必然造成预言性的试验被搁置的局面。因此，有必要组建一支专门的试验队伍配合各专业组的研究工作，从而缩短研究周期。
六、结论
卫星工作环境复杂，可靠性要求高，传统设计多采用冗余设计来适应这种要求。随着国际市场竞争环境的变化，对产品性能要求的不断提高，对卫星的设计制造提出了新的要求和挑战，使得设计者有必要进行更优、更精确的设计。HyperWorks集成了设计与分析所需各种工具，是一个功能强大的开放性CAE平台。它在优化和分析上的强大功能在汽车和航空领域都得到了很好的验证，在卫星结构设计领域必然也会有更加广阔的应用前景。
(审核编辑: 智汇小新)
