一种空间热排散系统轻质高刚承力超结构框架设计方法与流程

本发明涉及一种空间热排散系统轻质高刚承力超结构框架设计方法，属于轻量化承力结构设计与热管理系统集成。

背景技术：

1、随着深空探测、载人航天等人类太空活动的深入开展，航天器承担的科研与工程任务日益复杂。为实现更强大的大容量通信、高分辨率探测及自主智能计算能力，航天器电子设备的集成度与运算负荷持续提升，导致其功率密度不断增长，内部废热也随之急剧增加。在此背景下，空间热排散系统负责合理组织航天器内外热量的传输、利用与排放，保障其温度、湿度环境处于可控范围内，已成为维持航天器在轨长期稳定运行的关键子系统之一。

2、在工程实现上，热排散系统需要通过专门的支撑框架进行安装与固定。该框架不仅是确保系统在严苛力学环境下保持稳定运行的结构主体，同时也构成了散热介质流通或进行对流换热的关键功能载体。因此，空间热排散系统框架设计必须同时满足几项关键要求：一是具备足够的刚度和强度，以抵御发射与在轨阶段的复杂载荷；二是实现极致的轻量化，以提升航天器运载效率和续航性能；三是在结构内部形成高孔隙率的贯通空间，以作为高效的热交换通道，保障散热效能。

3、目前工程中常用的传统热排散系统支撑框架多采用实体板材或简单开孔结构，虽能保证基本力学性能，但材料利用率低，导致结构质量冗余，同时致密的实体形态阻碍了内部空气流通或冷却介质分布，严重制约了系统整体散热效率，难以满足轻量化与高效散热的综合需求。近年来，高孔隙率点阵结构因其优异的比强度、比刚度以及良好的热传导与对流特性，逐渐受到关注。然而，现有点阵结构研究多集中于理想化单元结构或单一力学性能分析，缺乏面向具体工程应用场景的系统设计方法，尤其是在复杂装配约束、承载路径控制以及制造可行性方面仍存在不足。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，存在的传统承力结构设计缺陷，提出了一种空间热排散系统轻质高刚承力超结构框架设计方法。

2、本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种空间热排散系统轻质高刚承力超结构框架设计方法，包括：

4、确定空间热排散系统的实际装配需求，用于建立承力超结构框架的初始几何模型；

5、对初始几何模型进行空间划分，确定非设计空间及可设计空间；

6、在可设计空间内施加预设的边界条件与载荷工况；

7、预设可设计空间的拓扑优化算法，以最小化结构质量为优化目标，对可设计空间进行拓扑优化设计，获取拓扑优化结果；

8、对拓扑优化结果进行收敛判断，根据收敛判断结果进行拓扑优化结果的迭代更新，获取收敛情况下的拓扑优化结果；

9、对收敛情况下的拓扑优化结果进行点阵化重构，对获取的点阵结构进行安全系数校核；

10、对通过安全系数校核的点阵结构进行一体成形金属增材制造，获取对应的承力超结构框架，进行工艺处理后获取承力超结构框架成品。

11、所述空间热排散的实际装配需求用于确定空间热排散系统的结构组成，空间热排散系统包括热排基板、流体通道管及方形框架，所述热排基板、方形框架为边缘匹配的矩形板块，流体通道管按照回形针形式均匀排布于热排基板表面，热排基板边缘设置有连接凸台，热排基板通过连接凸台螺接于方形框架内侧。

12、所述承力超结构框架的初始几何模型根据空间热排散系统的具体形状设计为矩形环状结构，承力超结构框架的四条边框上表面均匀排布设置装配连接孔，用于通过螺栓连接至热排基板下方边缘；承力超结构框架的四条边框内侧设置有横向串通装配连接孔，用于相邻承力超结构框架间的连接。

13、对初始几何模型进行空间划分为非设计空间及可设计空间，以装配连接孔、横向串通装配连接孔及各连接孔外侧周边区域作为非设计空间，其余区域均作为可设计空间，可设计空间通过拓扑优化设计实现结构质量最小化。

14、所述边界条件为承力超结构框架固定约束，承力超结构框架固定约束用于对承力超结构框架的四角位置进行固定约束，载荷工况为热排散系统工作状态下的等效载荷，等效载荷为承力超结构框架的四边中点分别承受的集中载荷。

15、对可设计空间进行拓扑优化设计，获取拓扑优化结果的方法为：

16、在可设计空间内引入基于固体各向同性材料惩罚的拓扑优化算法，以最小化结构质量为优化目标函数，并同时设置应力约束与安全系数约束，用于制定拓扑优化设计原则，当目标函数输出的拓扑优化结果满足拓扑优化设计原则，输出当前拓扑优化结果；

17、其中，拓扑优化设计原则为：承力超结构最大米塞斯等效应力不超过材料屈服强度且整体安全系数不小于预设值，拓扑优化设计原则还包括金属增材制造工艺约束，为对承力超结构框架的横杆长度、斜杆长度、杆直径范围的限定。

18、所述可设计空间离散处理为

n个有限单元，为每个单元

i定义一个相对密度变量：

19、

20、式中表示空材料，表示实体材料，表示近似空材料；

21、优化目标函数为：

22、

23、应力约束与安全系数约束的数学模型为：

24、

25、式中，为第i个单元的米塞斯应力，。

26、所述收敛情况下的拓扑优化结果同时满足拓扑优化设计原则的应力约束与安全系数约束、金属增材制造工艺约束，对拓扑优化结果进行点阵化重构的方法为：

27、将拓扑优化结果转换为承力超结构框架的材料最优分布形式，并分解为各空间杆件周期性连接形成的点阵结构，点阵结构中的各杆件限定在预设范围内，各杆件长度根据承载需求设计，保证点阵结构满足承力性能及制造工艺约束要求。

28、对点阵结构的安全系数进行校核，获取点阵云图，当点阵云图的最小安全系数满足预设校核要求，按照点阵结构进行金属增材制造，一体成形设计承力超结构框架；当点阵云图的最小安全系数不满足预设校核要求，重新进行当前点阵结构对应的可设计空间的拓扑优化直至更新后的点阵云图的最小安全系数满足预设校核要求。

29、所述一体成形设计承力超结构框架的工艺处理包括：表面质量处理、力学性能检查；一体成形金属增材制造工艺选用选区激光熔化成形、电子束熔化成形或等效金属3d打印工艺。

30、本发明与现有技术相比的优点在于：

31、（1）本发明提供的一种空间热排散系统轻质高刚承力超结构框架设计方法，给出了承力超结构框架及其设计制造方法，通过拓扑优化与点阵化重构相结合的方式，在满足承载、安全及装配要求的同时，实现结构的高孔隙率和轻量化设计，并改善热排散系统的整体性能，能够通过引入基于simp方法的拓扑优化算法，以最小质量为目标函数，并施加应力与安全系数约束，获得材料最优分布形式，并给出点阵化几何重构结果，实现规则化、可制造的承力点阵超结构产品设计方案；

32、（2）本发明保证承载能力的前提下显著降低结构质量，能够形成合理清晰的力传递路径，提高结构整体刚度与稳定性；同时通过高孔隙率点阵结构设计实现空气流通和热交换，提升热排散效率，利用构形式适配增材制造工艺，成形精度高，装配可靠性好，整体设计适用于多种热管理系统和轻量化承力结构的工程应用。