留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 孙士平, 张卫红.基于改进模拟退火算法的复合材料层合板频率优化[J].复合材料学报, 2015, 32(3):902-910. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FUHE201503037.htm

    SUN S P, ZHANG W H.Frequency optimization of composite laminates using an improved simulated annealing algorithm[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2015, 32(3):902-910(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FUHE201503037.htm
    [2] 晏飞, 李为吉.基于改进遗传算法的复合材料层合板自振频率优化设计[J].机械科学与技术, 2000, 19(增刊):91-96. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXKX2000S1038.htm

    YAN F, LI W J.Optimal design of composite laminates subject to natural frequency constraint using an improved genetic algorithm[J].Mechanical Science and Technology, 2000, 19(Suppl.):91-96(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXKX2000S1038.htm
    [3] 柯俊, 史文库, 钱琛, 等.采用遗传算法的复合材料板簧多目标优化方法[J].西安交通大学学报, 2015, 49(8):102-108. doi: 10.7652/xjtuxb201508017

    KE J, SHI W K, QIAN C, et al.A multiobjective optimization for composite leaf springs using genetic algorithm[J].Journal of Xi'an Jiaotong University, 2015, 49(8):102-108(in Chinese). doi: 10.7652/xjtuxb201508017
    [4] HONDA S, NARITA Y, SASAKI K.Discrete optimization for vibration design of composite plates by using lamination parameters[J].Advanced Composite Materials, 2009, 18(4):297-314. doi: 10.1163/156855109X434739
    [5] NARITA Y.Layerwise optimization for the maxi-mum fundamental frequency of laminated composite plates[J].Journal of Sound and Vibration, 2003, 263(5):1005-1016. doi: 10.1016/S0022-460X(03)00270-0
    [6] GHIASI H, FAYAZBAKHSH K, PASINI D, et al.Optimum stacking sequence design of composite materials Part Ⅱ:Variable stiffness design[J].Composite Structures, 2010, 93(1):1-13. doi: 10.1016/j.compstruct.2010.06.001
    [7] ABDALLA M M, SETOODEH S, GURDAL Z.Design of variable stiffness composite panels for maxi-mum fundamental frequency using lamination parameters[J].Composite Structures, 2007, 81(2):283-291. doi: 10.1016/j.compstruct.2006.08.018
    [8] STEGMAN J, LUND E.Discrete material optimization of general composite shell structures[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2005, 62(14):2009-2027. doi: 10.1002/(ISSN)1097-0207
    [9] 冯消冰, 黄海, 王伟.基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计[J].复合材料学报, 2012, 29(5):196-202. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FUHE201205033.htm

    FENG X B, HUANG H, WANG W.Strength optimization of large wind turbine blade root on the genetic algorithm[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2012, 29(5):196-202(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FUHE201205033.htm
    [10] 穆朋刚, 赵美英, 陈鹏飞, 等.基于蚁群算法的复合材料层合板的铺层顺序优化[J].玻璃钢/复合材料, 2007, 11(6):14-17. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BLGF200706003.htm

    MU P G, ZHAO M Y, CHEN P F, et al.Ply stacking-sequence optimization of composite laminate plates by ant colony system[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2007, 11(6):14-17(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BLGF200706003.htm
    [11] 顾元宪, 亢战, 赵国忠, 等.卫星承力筒复合材料结构的优化设计[J].宇航学报, 2003, 24(1):88-91. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHXB200301016.htm

    GU Y X, KANG Z, ZHAO G Z, et al.Optimal design of composite structure of satellite bearing cylinder[J].Journal of Astronautics, 2003, 24(1):88-91(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHXB200301016.htm
    [12] 陈烈民, 杨宝宁.复合材料的力学分析[M].北京:中国科学技术出版社, 2006:98-101.

    CHEN L M, YANG B N.Mechanical analysis for composite materials[M].Beijing:Science and Technology of China Press, 2006:98-101(in Chinese).
    [13] 陈烈民.航天器结构与机构[M].北京:中国科学技术出版社, 2005:102-103.

    CHEN L M.Spacecraft structures and mechanisms[M].Beijing:Science and Technology of China Press, 2005:102-103(in Chinese).
    [14] 唐俊.PSO算法原理及应用[J].计算机技术与发展, 2010, 20(2):213-216. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFZ201002057.htm

    TANG J.Principle and application of PSO algorithm[J].Computer Technology and Development, 2010, 20(2):213-216(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFZ201002057.htm
    [15] MARLE R T, ARORA J S.Survey of multi-objective optimization methods for engineering[J].Structural and Multidisciplinary Optimization, 2004, 26(6):369-395. doi: 10.1007/s00158-003-0368-6
    [16] DEB K, PRATAP A, AGARWAL S, et al.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:NSGA-Ⅱ[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2002, 6(2):182-197. doi: 10.1109/4235.996017
  • 加载中
图(7) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  786
  • HTML全文浏览量:  64
  • PDF下载量:  433
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答