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卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

陶扬 王春洁 付志方

陶扬, 王春洁, 付志方等 . 卫星天线复合材料框架的铺层优化设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(5): 1031-1037. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0392
引用本文: 陶扬, 王春洁, 付志方等 . 卫星天线复合材料框架的铺层优化设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(5): 1031-1037. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0392
TAO Yang, WANG Chunjie, FU Zhifanget al. Layup design optimization of composite frame for satellite antenna[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(5): 1031-1037. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0392(in Chinese)
Citation: TAO Yang, WANG Chunjie, FU Zhifanget al. Layup design optimization of composite frame for satellite antenna[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(5): 1031-1037. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0392(in Chinese)

卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0392
详细信息
    作者简介:

    陶扬,男,硕士研究生。主要研究方向:数字化设计及仿真

    王春洁,女,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:数字化设计及仿真

    付志方,男,博士研究生。主要研究方向:机械设计、拓扑优化

    通讯作者:

    王春洁, E-mail: wangcj@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V414.8

Layup design optimization of composite frame for satellite antenna

More Information
  • 摘要:

    为了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能,提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段Ⅰ以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化,框架基频的最大化为优化目标,铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示,并将多进制码映射为连续变量,应用粒子群优化(PSO)算法对阶段Ⅰ优化模型进行求解。在阶段Ⅰ优化结果的基础上,阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数,以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型,应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。为了验证该方法的有效性,对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设计,结果表明:该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量,并提高基频。

     

  • 图 1  卫星天线复合材料框架铺层设计优化流程图

    Figure 1.  Flowchart of layup design optimization of composite frame for satellite antenna

    图 2  卫星天线装配图

    Figure 2.  Assembly drawing of satellite antenna

    图 3  卫星天线框架

    Figure 3.  Frame of satellite antenna

    图 4  框架的8个约束点位置

    Figure 4.  Position of eight constraint points of frame

    图 5  矩形梁、工字梁及槽型梁

    Figure 5.  Rectangular beam, I-shape beam and U-shape beam

    图 6  Pareto前沿对比

    Figure 6.  Comparison of Pareto frontiers

    图 7  不同初始层数下的Pareto前沿对比

    Figure 7.  Comparison of Pareto frontiers for different initial layups

    表  1  PSO参数设置

    Table  1.   Parameters setting of PSO

    参数 最大迭代次数 粒子数 惯性权重 全局增量 粒子增量 最大搜索速度
    数值 20 12 0.9 0.9 0.9 0.1
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    表  2  阶段Ⅰ求解结果

    Table  2.   Solving results of phase Ⅰ

    变量类型 x1(铺层序列) x2(铺层序列) x3(铺层序列) 基频/Hz 质量/kg 迭代次数
    连续变量 [33122210101021033203] [21111311111131111111] [11112212012202301102] 53.93 45.71 20
    离散变量 [21031003122122102102] [13131113131112111110] [13101011220213222221] 52.49 45.71 20
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    表  3  NSGA-Ⅱ参数设置

    Table  3.   Parameters setting of NSGA-Ⅱ

    参数 种群大小 迭代次数 交叉概率 交叉分布指数 变异分布指数
    数值 12 30 0.9 10 20
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    表  4  阶段Ⅱ的Pareto最优解集

    Table  4.   Pareto optimal solution set of phase Ⅱ

    方案  区域A(铺层序列)  区域B(铺层序列)  区域C(铺层序列) 基频/Hz 质量/kg
    原始方案 [1023102310231023] [1023102310231023] [1023102310231023] 41.421 38.37
    1 [332210012032] [1113111111111111] [11221212030102] 46.657 29.97
    2 [33221001020320] [21113111111111111] [112121203102] 48.460 32.32
    3 [332201020323] [11131111111111] [112122031102] 44.791 28.24
    4 [332210002032] [1113111111111111] [112121200102] 46.479 29.06
    5 [332210002032] [111311111111111] [112121200102] 45.816 28.65
    6 [3322100102032] [111311111111111] [112121200102] 46.807 30.08
    7 [332210101020320] [21113111111111111] [112121203102] 49.171 33.75
    8 [3322101010203203] [1113111111111111] [1121212031102] 49.549 35.21
    9 [33221001020320] [1113111111111111] [112121200102] 48.277 31.91
    10 [33220101021020] [111131111111111111] [112212010011] 48.169 29.89
    11 [3322100102032] [1113111111111111] [112121200102] 47.481 30.49
    12 [33221001020320] [21113111111111111] [11212120301102] 48.761 33.22
    13 [3322100102032] [21113111111111111] [112121200102] 47.748 30.90
    14 [332210002032] [21113111111111111] [112212120102] 46.630 29.48
    15 [332210101020320] [1113111111111111] [121220301102] 48.887 33.33
    16 [3322100102032] [21113111111111111] [1121212030102] 47.799 31.35
    17 [33221001020320] [21113111111111111] [1121212001102] 48.712 32.77
    18 [332210101020320] [21113111111111111] [1121212030102] 49.326 34.20
    19 [3322101010203203] [1113111111111111] [11212120231102] 49.613 35.66
    20 [332201020323] [1113111111111] [112220231102] 43.912 27.83
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-11
  • 录用日期:  2016-08-10
  • 网络出版日期:  2017-05-20

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