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1.2  结构优化类型

设计人员在设计零件的时候，总会在满足零件实际应用环境下寻求最佳方案，这就是结 构优化[6]。优化技术是一门新兴科学，在工程设计各领域得到广泛应用。

优化方法应用于工程设计中时就成了优化设计，它能够让产品设计人员得到较为完善的 最优设计方案。所谓最优设计方案并不是所有方面都是最优的，在设计中常常存在主要的目 标，可能是一个，也可能是多个。而其他影响不大的因素只要符合产品要求就够了[7]。优化 设计就是在一定的约束条件下，追求强度要最高，重量上要最轻，经济型最好等目标。结构 优化有很强的应用背景，如今已经变成力学重要分支的一支，并广泛应用到了工程结构设计 中。结构优化按变量不同分为结构尺寸优化，结构形状优化和结构拓扑优化[8]。

（1）结构尺寸优化 对结构进行优化设计时修改结构单元尺寸通常是最直接的方法，即将结构的尺寸参数作

为在优化设计过程的设计变量，这种优化方法被称为结构尺寸优化。通过这种方法可达到目 标函数最优的目的，但是并不能保证由这种方法所得到的设计是设计师眼中的最优设计，更 不用说研究新的结构形式。

图 1.1 结构尺寸优化示例

（2）结构形状优化 结构形状优化指的是优化过程中可以同时改变结构尺寸和结构形状的一种优化方法。但

有一点和结构尺寸优化一样，就是不能改变结构的拓扑形式。因此有人开始研究可以在优化 过程中变更拓扑形状的方法，即第三种优化，结构拓扑优化。

图 1.2 结构形状优化示例

（3）结构拓扑优化 结构拓扑优化也被称为结构布局优化，是根据载荷约束，优化目标以确定材料在结构体

中的最优分配问题的方法[9]，大多用于产品设计加工的初始设计阶段，是产品概念性设计的 一种，通常对产品最终的性能和成本产生决定性的影响[10]。结构拓扑优化主要优化方法是寻 找结构中材料的最佳分配方式来代替结构的最优拓扑问题[11]。改变原结构的微孔结构，如果 微孔变大，使某区域变空，则区域被移走。反之如若某一部分区域，微结构孔洞全部填补， 则这部分区域就组成了实体结构。这样，材料得以重新分配，得到原结构的最优拓扑结构。 这个结构通常是复杂的，用传统方法很难制造，增材制造技术由于本身生产加工具备高自由 度的特点，所以满足拓扑优化技术的需求，故增材制造的发展有利于拓扑优化的实现。这也 是本工作的背景之一。论文网

图 1.3 结构拓扑优化示例

1.3  国内外拓扑优化研究现状

1.4  卫星支架的结构优化分析

本设计对支架模型进行结构优化分析的方法基于限元分析思想，有限元分析法是差分方 法，边界元法和有限体积法等众多数值计算方法中应用最广泛，也最成功的方法。有限元方 法的主要思想就是将结构整体分成有限个小单元，通过分析单元节点受力，通过插值函数来 模拟集合体的受力。当单元小到一定程度，它就代表了整体[18]~[21]。

卫星支架通过有限元分析法可以将复杂的载荷情况转换成节点受力，用节点受力的集合 来完善结构的优化，发现优化的问题，以取得更好的效果。

1.5  课题的主要研究内容

为使优化完成的卫星支架能够满足刚度和减重要求，本课题依据该支架在使用过程中各 个工况的载荷情况，采用拓扑优化技术对该支架进行设计，然后对优化好的支架结构进行有 限元计算，测试其强度。课题研究路线如下： (责任编辑：qin)