多学科优化技术在空间结构锁可靠性设计分析中的应用

ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAVol󰀁29No󰀁1Jan.󰀁2008

󰀂07󰀁󰀁文章编号:1000󰀂63(2008)01󰀂0095

多学科优化技术在空间结构锁可靠性设计分析中的应用

苏多,张建国,李强,刘欣

(北京航空航天大学工程系统工程系,北京󰀁100083)

ApplicationofReliabilityBasedMultidisciplinaryDesignOptimization

inStructureLatches

SuDuo,ZhangJianguo,LiQiang,LiuXin

(DepartmentofSystemEngineeringofEngineeringTechnology,BeijingUniversityof

AeronauticsandAstronautics,Beijing󰀁100083,China)

摘󰀁要:多领域协同建模仿真是复杂产品虚拟样机设计分析需要解决的关键技术问题之一。利用CAD/CAE工具搭建的空间结构锁多柔体虚拟样机模型,综合考虑了强度、动力学、空间环境影响等因素,在协同设计分析和协同建模仿真的基础上,开展了基于可靠性的多学科协同设计分析。并深入讨论了协同建模仿真实现中的数据综合、过程综合等关键技术。通过多学科协同设计分析和建模仿真,找到了空间结构锁的可靠性薄弱环节,并结合多学科优化技术,实现了空间对接锁基于可靠性的设计优化,进一步提出了通用的复杂机电系统基于可靠性的多学科设计优化方案,并开发了能协同三维建模工具(如PROE),有限元分析工具(如MSC󰀁PATRAN,NASTRAN,ANSYS)和动力学分析工具(如MSC󰀁ADAMS)进行复杂机电系统可靠性分析的通用工具平台ARAMS。

关键词:机构;运动;柔性结构;可靠性;优化;虚拟样机;计算机仿真;空间对接中图分类号:TB114󰀁3󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

Abstract:Theintegrationofmulti󰀂disciplinarycollaborativemodelingandsimulationisoneofthekeytechnicalproblemsinthevirtualprototypingdesign.UsingCAD/CAEtools,themulti󰀂disciplinaryvirtualprototypeofspacerendezvousstructurallatchesisestablished,whichinvolvesstructurestrength,dynamicsandeffectsofspaceenvironmentsetc.Onthebasisofcollaborativedesignandanalysisandcollaborativemodelingandsimu󰀂lation,reliabilitybasedmulti󰀂disciplinarydesignandoptimizationiscarriedout.Integrationtechnologiesincollaborativemodelingandsimulation,suchasdataintegrationandprocessintegration,areresearchedinde󰀂tail.Thisapproachsucceedsinfindingtheweakspotsindesign,andoptimizesthereliabilityofspacestructur󰀂allatches.Finally,generalmethodsandschemeofreliabilitybasedmulti󰀂disciplinarydesignandoptimizationarepresentedandresearchedincomplexmechatronicssystem,andasoftwareplatform(ARAMS)forreliabilityanalysisisdeveloped,whichcombinesprobabilisticanalysisalgorithmswithgeneral󰀂purposeanalysispackages(PROE,MSC.PATRAN,NASTRAN,ADAMS,ANSYS)tocomputetheprobabilisticresponseandthere󰀂liabilityofengineeringstructuresandmechatronics.

Keywords:mechanism;moving;flexiblestructure;reliability;optimization;virtualprototype;computersim󰀂ulation;spacerendezvous

󰀁󰀁随着现代航天工业的高速发展,为实现大型航天器在轨装配,建造空间实验室,向空间站输送试验品、补给燃料、食品和提供维修服务等,必须利用空间交会对接技术。空间交会对接技术是多种航天技术的集成,它直接关系到载人航天、空间站系统的经济性和有效性。空间交会对接的成败

收稿日期:2007󰀂04󰀂05;修订日期:2007󰀂07󰀂12基金项目:国防基础科研项目通讯作者:苏多E󰀂mail:suduo@263.net

决定着载人飞行的成败,也影响着整个航天飞行器和空间站系统的正常运行,是中国未来航天事业关键目标之一。

空间对接机构包括减速机系统、传动机构、结构锁和控制系统等。空间对接机构中,结构锁是为保证两个航天器之间或航天器与空间站之间的刚性连接而设计的机电装置,结构锁及其传动机构是对接交会系统中最为关键的传动部件之一。因此在空间对接机构设计过程中,对其性能与可󰀁96󰀁

航󰀁空󰀁学󰀁报

第29卷

靠性提出很高的要求,所以必须对其进行可靠性设计分析,找出其可靠性薄弱环节,并加以改进优化,以满足总体设计所提出的可靠性要求指标。空间结构锁的设计需要考虑到空间对接的锁紧、保持和解锁3个典型阶段,需要满足结构完整性、同步性、高可靠性,而且还需考虑其体积和质量等综合指标,必须综合运用机械工程、控制系统、电子技术等多种技术,涉及到结构力学、柔性多体动力学、控制理论、空间环境影响等多个领域知识,是一种复杂机电系统,属于典型的多学科交叉问题,而且还要考虑设计变量的概率随机性和系统可靠性,其过程的集成性和复杂性给设计者提出了更高的要求。

了附加的挑战。归纳起来,在基于仿真的多学科设计中,不确定性可以分为3类[1]:󰀂输入设计变量和参量的变化(也称为外部不确定性); 模型不确定;!仿真不确定。在后面的工程实例中,这3种不确定性的影响都进行了考虑和分析。1󰀁3󰀁基于可靠性的优化(RBO)

传统优化设计得到的最优解往往落在约束边界上,当设计变量由于不确定性发生波动时,最优解将会在约束边界附近变化,有可能落入失效区域,因此,为了保证设计结果可靠性,需要在设计时考虑到可靠性,RBO[2]正是这样一种设计方法。RBO用于改进或提高设计可靠性,或将失效概率降低到一个设定的上限以下。RBO搜寻不仅性能达到最优(一个或多个目标达到最小或最大),而且满足最低可靠性要求(或允许的最大失效概率)的设计方案。可看做RBO的一种特例。1󰀁4󰀁RBMDO

在一个多学科系统中,各个学科的不确定性通过学科间的耦合关系相互传递,因此,在进行可靠性分析时,必须考虑学科间的耦合关系所带来的不确定性,即在可靠性分析中加入多学科分析。

不确定性下的MDO与确定性的MDO相比,不仅问题变得复杂,计算量也相当惊人,这是因为不仅在MDO过程中每次优化迭代都需要可靠性分析计算概率约束,而且在可靠性分析中需要进行多学科分析。因此,研究高效且适用MDO的可靠性分析方法在RBMDO领域中显得尤为重要。

为了提高MDO的可靠性分析方法的有效性,采用了基于单学科可靠方法(IDF)的设计验算点(MPP)搜索方法,该方法不要求多学科系统分析,显著减少了学科分析的数量。基本思想是在优化过程中通过引入辅助设计变量,使各子系统能地进行分析,避免各个子系统之间的直接藕合关系,在对一个子系统分析时,其他子系统的耦合变量用辅助设计变量代替,子系统间的通讯由一致性约束来协调,在系统优化结束时,学科间一致性要求也得到了满足。

MPP󰀂IDF方法采用单循环的策略进行多学科结构下的可靠性分析,用于MPP搜索的优化循环与多学科系统分析的迭代结合在一起,避免了嵌套的循环形式,多个学科间的一致性要求作为约束加入到MPP搜索的优化模型中,通过这[3]

1󰀁基于可靠性的多学科设计优化(RBM󰀂DO)方法和难点

1󰀁1󰀁概率优化的意义

以往在优化设计领域中,当遇到含有一个或少数几个随机因素时,都按设计手册或标准中所推荐的数据取其名义值,并按确定性方法来建立数学模型,从而得到一个确定性的离散变量或连续变量的最优解。但是,这样的结果往往不满足设计要求,特别是当需要考虑机器元件或结构的失效概率时,就更为突出。工程实践证明,通过概率优化设计,可以在改进设计方法付出较小代价下,获得较高的可靠性。

在很多确定性优化问题中,虽然所建立的确定性模型和所采用优化方法可能都没有失误,但在设备或工程设施正常使用中却出现了失效或事故,这不能不说是在设计中,因未考虑实际问题中的随机因素而产生的一个严重问题。所以必须重视对实际问题考虑随机因素并按随机模型来进行优化设计。

1󰀁2󰀁多学科设计优化(MDO)过程中的不确定性

问题

󰀁󰀁在多学科设计环境下,一个系统包含了多个子系统,每个子系统使用不同的学科模型,而这些子系统是高度耦合的,也就是一个学科的输出可能成为另一个学科的输入,所以基于仿真的多学科设计过程中考虑不确定性后的关键问题是一个学科的不确定性可能通过耦合变量传递到另一个学科,从而多学科系统的最后输出的不确定性是各个学科不确定性的积累,这对发展MDO提出󰀁第1期苏多等:多学科优化技术在空间结构锁可靠性设计分析中的应用󰀁

97

种途径,在每次的MPP搜索过程中不再需要保证学科间的一致性,它将在MPP搜索结束后自动满足。本文中采用了iSIGHT软件来实现优化算法。

紧密联系、不可分割的。以往传统的基于统计概率的机械可靠性设计分析需要大量的试验数据和产品参数的采集和分析,还必须结合经验性分析来开展,性能和可靠性存在脱节的问题。而且设计分析的层面往往局限在单个部件、单学科领域,同产品整体性能综合权衡考虑结合不紧密。随着相关学科和技术的发展,如数字样机技术、协同仿真技术、多学科优化技术和可靠性工程技术等,使机械产品的性能与可靠性一体化协同设计、分析仿真和以可靠性为目标的多学科优化成为可能。在该背景下,开发了机械/机构可靠性自动分析软件平台(ARAMS)[4],该软件平台可以协同三维建模工具(如PROE,Solidworks),有限元分析工具(如MSC󰀁PATRAN,NASTRAN,AN󰀂SYS)和动力学分析工具(如MSC󰀁ADAMS)进行复杂机电系统可靠性分析,具有较强的通用性。该平台的实现方案如图1所示。

2󰀁复杂机电产品可靠性分析仿真通用平

台

󰀁󰀁随着计算机辅助技术的突飞猛进,机械产品的性能一体化设计、分析仿真技术取得了显著成果;近些年来,对数字样机技术的研究和应用,产品性能一体化开发过程中的许多关键技术取得突破性进展。可靠性工程的发展,如何将可靠性纳入机械产品性能一体化设计和分析仿真过程中,工程上有着强烈的需求;同时,在一体化过程中如何考虑以可靠性为目标的多学科协同设计分析和优化也成为提高复杂系统可靠性的关键。

机械产品可靠性设计分析与性能设计分析是

图1󰀁空间结构锁RBO仿真集成方案

Fig󰀁1󰀁IntegrationschemeofspacerendezvousmechanismRBOandsimulation

󰀁󰀁空间结构锁工程实例应用中,在ARAMS平台上集成了ProE,ADAMS,NASTRAN,实现了复杂机电系统可靠性分析仿真,并结合iSIGHT软件进行了RBMO。验证了该平台以及RBM󰀂DO方案的可行性和实用性。

对接锁的相互作用,两飞行器之间产生或解除连接力,实现刚性连接或分离。

对接锁系由多套对接锁和将其连接起来的钢索组件组成,安装在对接机构对接框外侧,分为两组,两组锁相互,互为备份。每组锁均由主动锁、从动锁和闭合的钢索组件等组成。其中主动锁1套,直接由对接锁驱动组合驱动;多套从动锁通过钢索组件与主动锁相连,间接由对接锁驱动组合驱动。3󰀁工程实例应用

对接锁系是实现空间两飞行器刚性连接和分离的主要部件。通过主、被动两个对接航天器上󰀁98󰀁

航󰀁空󰀁学󰀁报

表1󰀁空间结构锁随机变量

第29卷

每套锁又由壳体、主动钩组件和被动钩组件组成。主动锁钩由电机驱动,与目标飞行器相对应的被动锁钩配合;被动锁钩安装在碟形弹簧上,与目标飞行器相对应的主动锁钩配合。单把结构锁(主动锁)的结构如图2所示。

Table1󰀁Randomvariablesforfull󰀂featuredspacerendez󰀂

vousmechanism

随机变量

主动钩厚度/mm偏心套槽宽度/mm偏心套厚度/mm主动锁销长度/mm偏心轴中段宽度/mm被动钩厚度/mm

钛合金TC4R密度/(10-6kg∀m-3)钛合金TC4R弹性模量/(105N∀m-2)钛合金TC4R泊松比钛合金TC4R屈服极限/MPa钛合金TB2密度/(10-6kg∀m-3)钛合金TB2弹性模量/(105N∀m-2)钛合金TB2泊松比钛合金TB2屈服极限/MPa伺服电机驱动速度/(rad∀s-1)伺服电机反馈增益系数/105

均󰀁值2020303738204󰀁431󰀁1730󰀁38244󰀁871󰀁1730󰀁31󰀁2730󰀁69816󰀁31󰀁02400600-200󰀁10󰀁3

变异系数0󰀁020󰀁020󰀁020󰀁020󰀁020󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁100󰀁200󰀁200󰀁100󰀁100󰀁100󰀁150󰀁100󰀁10

图2󰀁主动锁结构示意图

Fig󰀁2󰀁Spacerendezvousmechanismgeometry

接触碰撞系数/105

碟簧弹性系数/(N∀m-1)碟簧阻尼系数/(N∀s∀mm-1)碟簧初始预紧力/N动摩擦系数静摩擦系数

如第2节中对MDO过程中的不确定性总结所述,这里全面考虑了可能的随机因素的影响。通过ARAMS平台建模仿真(见图3),对这些随

机因素进行了灵敏度分析和比较,最终确定了对多学科优化目标(各零件质量最小)和约束(各零件满足结构完整性要求)影响较大的设计变量。

这里主被动钩材料为钛合金TB2,其他材料为钛合金TC4R。

通过对空间结构锁系统目标的多学科分解(如图4所示),一共选取了4个目标和约束条件,分别为组件总质量、主动钩、被动钩和主动锁销的最大应力。

图3󰀁多学科分解和变量关系

Fig󰀁3󰀁Multidisplinarydecompositionandrelationshipof

variables

结合工作任务剖面,通过有限元定量计算分析和比较筛选,选择对结构锁功能影响较大的变

量,包括了几何尺寸变量(6个)、输入电机特性变量(2个)、载荷相关变量(6个)、材料属性变量(8个),这里的随机分布采用正态分布,各变量统计参数如表1所示。

图4󰀁空间对接锁系RBMDO

Fig󰀁4󰀁RBMDOofspacerendezvousmechanism

󰀁第1期苏多等:多学科优化技术在空间结构锁可靠性设计分析中的应用󰀁

99

该问题的RBMDO问题表述如下:

minf(X,D)=

i=1

#f

n

设计变量17个,常量3个。

计算结果如表2所示。

从表2中可以看出:第1种情况,其优化后的总质量最小,没有考虑安全系数和变量的随机性,其可靠度非常低,其最小可靠度约束只有51󰀁7%;第2种情况,考虑安全系数为1󰀁5,其优化结果也更能满足强度要求指标,但是还是没有达到可靠度要求,最低可靠度约束为68󰀁7%;第3种情况,利用RBMDO方法,考虑变量的概率分布特性,并将结构完整性可靠度作为约束,在改进整体目标的同时满足可靠性要求,但其计算效率也要比确定性优化低,优化迭代次数也大大增加。优化后的结果如图6所示。

表2󰀁空间结构锁RBMDO结果

Table2󰀁RBMDOresultsforfull󰀂featuredspacerendezvous

mechanismoptimization

变󰀁量

主动钩厚度/mm偏心套槽宽度/mm偏心套厚度/mm主动锁销长度/mm偏心轴中段宽度/mm被动钩厚度/mm

碟簧弹性系数/(104N∀mm-1)

碟簧阻尼系数/(N∀s∀mm-1)输入

碟簧初始预紧力/N钛合金TC4R弹性模量/(105N∀mm-2)钛合金TC4R泊松比钛合金TB2弹性模量/(105N∀mm-2)钛合金TB2泊松比钛合金TB2碰撞系数/

104

伺服电机反馈增益系数/105

钛合金TB2与TC4R碰撞系数/104动摩擦系数静摩擦系数

主动钩最大应力/MPa

情况119󰀁6019󰀁6029󰀁4036󰀁6037󰀁7019󰀁602󰀁5653󰀁3-22󰀁001󰀁17000󰀁331󰀁17000󰀁339󰀁9996󰀁3005󰀁0000󰀁10󰀁3761󰀁2450󰀁9370941󰀁3220󰀁9120811󰀁9700󰀁5381󰀁534423情况219󰀁9319󰀁9329󰀁7136󰀁8337󰀁9419󰀁932󰀁185660󰀁0-22󰀁001󰀁06500󰀁331󰀁06500󰀁339󰀁1056󰀁7145󰀁0070󰀁10󰀁3803󰀁2630󰀁6910849󰀁1170󰀁9210561󰀁4310󰀁8021󰀁572131情况320󰀁4020󰀁4031󰀁1838󰀁1839󰀁1821󰀁182󰀁265555󰀁5-19󰀁051󰀁06330󰀁331󰀁06330󰀁339󰀁3536󰀁6343󰀁9800󰀁10󰀁3483󰀁0210󰀁97631󰀁3780󰀁9712631󰀁4210󰀁8781󰀁6246812i

s󰀁t󰀁󰀁P{gj(X,D)∃0}%Rj

hk(X,D)∃0

式中:X为所有设计变量的集合;D为常量的集合;f(X,D)为空间对接锁组件的总质量;fi为每

个零件的质量;n为零件的总数,这里选取了安全裕度相对较小的主动锁钩、被动锁钩和主动锁销的最大应力小于其材料屈服极限的可靠度作为概率随机约束;gj(X,D)为零件结构可靠度计算的功能函数;Rj为相应的可靠度要求,这里取0󰀁99;hk(X,D)为所有其他确定性约束,包括电机输入特性,几何尺寸、材料属性以及边界条件界限。

由于该空间结构锁的优化目标和输入变量之间的模型存在高度非线性,为了提高仿真求解的效率和速度,采用超拉丁方实验抽样,抽样规模为(LH166&15)(这里6个相关联的几何变量已考虑为一个变量),首先对整个空间结构锁进行了实验设计DOE[5],然后在通过DOE获得的大量数据分别采用高阶RSM响应面模型和Kriging模型建立了4个目标和约束与所有设计变量之间的解析模型,建模过程如图5所示。在此基础上,利用了两种不同的多学科优化策略,针对3种情况,分别进行了基于可靠性的仿真分析和优化。

[6]

图5󰀁多学科概率优化流程

Fig󰀁5󰀁Flowchartofmultidisplinarystochasticoptimiza󰀂

tion

主动钩最大应力小于屈服

极限可靠度

被动钩最大应力/MPa输被动钩最大应力小于屈服

极限可靠度出主动锁销最大应力/MPa

主动锁销最大应力小于屈服极限可靠度总质量/kg优化迭代次数(1)情况1:不考虑屈服极限安全系数;随机性设计变量14个,常量6个;

(2)情况2:考虑屈服极限安全系数为1󰀁5;随机性设计变量14个,常量6个;

(3)情况3:考虑概率约束条件3个;随机性󰀁󰀁100

航󰀁空󰀁学󰀁报

第29卷

图6󰀁优化后可靠度与质量

Fig󰀁6󰀁Comparisonsofreliabilityandtotalmass

designusingdifferentoptimizations

󰀁(c)总质量灵敏度分析结果

x1-x3-x5-󰀁

主动钩厚度/mm偏心套厚度/mm偏心轴中段宽度/mm

x2-x4-x6-偏心套槽宽度/mm主动锁销长度/mm被动钩厚度/mm

这里采用了全局灵敏度方程(GSE)进行概率灵敏度分析[7],滤掉了灵敏度低变量,分析结果如图7所示。通过对比分析,也可以看出,确定性分析得到的最优解不一定∋最优(。在实际中,当这些设计变量出现随机性,那么就可能发生危险,甚至导致重大事故。这也体现了RBMDO的重要性。

x7-碟簧弹性系数/󰀁(N∀mm-1)x9-碟簧初始预紧力/N󰀁󰀁x11-钛合金TC4R泊松比󰀁󰀁x13-钛合金TB2泊松比

x8-碟簧阻尼系数/

󰀁(N∀s∀mm-1)x10-钛合金TC4R弹性模量/󰀁(N∀m-2)x12-钛合金TB2弹性模量/󰀁(N∀m-2)x14-伺服电机反馈增益系数

󰀁图7󰀁灵敏度分析结果对比

󰀁Fig󰀁7󰀁Comparisonsofglobalsensitivityequationanalysis

4󰀁结论与展望

RBMDO理论作为一种处理复杂系统可靠性的新生理论目前还是多学科设计分析领域研究的热点和难点,本文成功地将RBMDO应用于实际工程中,取得了较好效果。

(1)采用虚拟样机技术,通过自主研发的机械可靠性平台ARAMS成功集成了CAD/CAE工具对空间结构锁进行了多学科协同设计分析、建模仿真以及可靠性分析。

(2)在多学科虚拟样机基础上,利用计算机实验设计分析技术(DACE)、响应面方法、Krig󰀂ing近似建模快速建立了该复杂机电系统的系统模型,使能够快速开展RBMDO。

(3)通过RBMDO分析工作,在减小空间结构锁总体质量的同时,综合考虑不确定性因素的影响,得到了满足性能要求和可靠性要求的最优方案,并且通过灵敏度分析可以快速找出影响系统总体性能和可靠性的因素。

(4)RBMDO技术在该复杂机电系统中的成功应用,尤其是考虑了随机性后对整个系统的多学科分解以及采用的高效快速计算策略,为今后RBMDO研究和应用提供了新思路。󰀁第1期苏多等:多学科优化技术在空间结构锁可靠性设计分析中的应用󰀁

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苏多(1980-)󰀁男,博士研究生。主要研究方向:机械可靠性。E󰀂mail:suduo@263.net

张建国(1966-)󰀁男,博士,副教授。主要研究方向:机械可靠性和可靠性工程。Tel:010󰀂823141E󰀂mail:zjg_mail@263.net

李强(1981-)󰀁男,硕士研究生。主要研究方向:机械可靠性。刘欣(1979-)󰀁男,硕士研究生。主要研究方向:机械可靠性。

(责任编辑:李铁柏,徐晓)