面向管状复合材料空间可展结构的多性能拓扑优化设计方法研究

Facing the immediate problems arising in large space deployable structures, this proposed research aims at establishing and solving the design problem using the topology optimization method for tubular composite deployable space structures by considering the tubular deployable space structure as a simple light weight, high reliability expansion structure with excellent driving and self-locking ability as objective, by taking advantage of numerical simulation, theoretical and experimental methods. The study concentrates mainly on mechanical properties of strength, stiffness and buckling in composite tubular deployable space structure with slots in the process of folding and unfolding. The influence of different parameters such as geometry, material, boundary and loading conditions on mechanical behavior will be analyzed and the impact mechanism on driving and self-locking ability of tubular deployable space structure will be analyzed. The topology optimization method by considering multiple properties in composite tubular deployable space structure is investigated. Then, a new optimal model will be established and new optimal algorithm will be developed. The problems of parameter characterization in between different mechanical properties and topology design variables are investigated. In addition, the numerical instability problem during the topology optimization iterations will be managed. The optimal results will be verified by physical experiments and the theoretical models are modified accordingly.. With the development of numerical models and topology optimal methods, the investigation of design theory for novel deployable space structures is beneficial to both structural optimal design theory development and its application in improving the stability, safety, and reliability of aerospace crafts.

以大型航天空间可展结构急需解决的难题为背景，以结构简单、质量轻、展开可信度高、驱动性能好和自我锁定能力强的管状空间可展结构为研究对象，采用数值仿真、理论与实验相结合的方法，研究面向管状复合材料空间可展结构的拓扑优化建模求解方法。重点研究带孔复合材料管状空间可展结构折叠展开的强度刚度和屈曲稳定性，分析不同几何参数、材料参数、边界条件及载荷类型对可展结构力学性能的影响规律，揭示带孔可展结构驱动性能与锁定性能的影响机理。研究复合材料管状空间可展结构多性能拓扑优化设计方法，建立新的拓扑优化模型，发展新的求解算法，解决不同力学性能与拓扑变量之间的参数识别问题以及数值不稳定问题。实验验证优化设计结果并修正理论模型。通过发展新的数值模型与优化方法，对拓展结构拓扑优化理论深度和广度，突破传统设计极限，实现新型可展结构，提高航天飞行器运行安全稳定性与可靠性，推动航天工程的发展具有重要理论意义和工程应用价值。

本项目以大型航天空间可展结构急需解决的难题为背景，采用数值仿真、理论与实验相结合的方法，研究面向复合材料空间可展结构的拓扑优化建模求解方法。重点研究：（1）复合材料空间可展结构折叠展开的屈曲力学性能以及失效损伤的力学性能表征分析及优化设计。基于响应面方法，建立了复合材料带簧铰链、管状铰链、双稳态壳结构和折纸展开结构的优化设计理论方法，搭建了柔性铰链实验测试平台，建立了柔性铰链结构从设计、分析、验证、再到设计的完整分析方法，揭示了空间可展结构驱动性能与锁定性能的影响机理。（2）基于独立连续映射方法，建立了考虑静动态特性、稳定性以及疲劳等多性能和几何非线性的连续体结构拓扑优化模型与求解算法。解决了不同力学性能与拓扑变量之间的参数识别问题以及数值不稳定问题，开发了MMPC-TO程序，为结构的轻量化、多功能集成化设计提供了理论依据。采用深度学习模型研究建立了基于数据驱动的多性能连续体结构拓扑优化设计及求解方法，搭建了从输入参数到优化构型的高维映射关系，开发了ResUnet-GAN程序，完成跨精度无迭代拓扑优化设计，实现了高效智能的多性能结构拓扑优化设计。（3）研究建立了复合材料连续体结构拓扑优化设计理论方法。针对多材料、混合点阵结构以及超构材料和纤维增强复合材料，建立了优化模型并提出了求解策略。通过结构平衡方程、灵敏度分析及泰勒展式，结合参数优化、仿生设计等方法，研究了多材料和超构材料的构型设计。基于固有应变法、Tsai-Wu失效准则和P范数函数，建立了考虑增材制造的复合材料结构拓扑优化模型并求解，实现了结构拓扑和纤维方向的并行优化设计，为复合材料空间可展结构提供新构型设计。项目研究通过发展新的数值模型与优化方法，对拓展结构拓扑优化理论深度和广度，突破传统设计极限，实现新型可展结构，提高航天飞行器运行安全稳定性与可靠性，推动航天工程的发展具有重要理论意义和工程应用价值。