【解决方案】Altair 航天工业解决方案及应用

CAE在航天飞行器研发中的应用由来已久，航天飞行器是飞行器中经历的环境最为复杂的产品。它们不仅承受比常规飞机和高超声速飞机更高的速度、更剧烈的温度和压力变化，在运输、发射、飞行、在轨、回收、着陆方面都有比较复杂的工作载荷，而且还承受太空中严酷的辐射环境。

随着产品的自动化、数字化和智能化的发展，以及航天器复杂程度和性能要求的不断增加，对仿真工作也提出了越来越高的要求。

Altair公司在CAE建模、可视化、有限元分析、结构优化和流程自动化等领域始终站在技术的最前沿，为全球客户提供最先进的产品工程解决方案。

近二十年来，Altair 致力于应对航天工业的最新发展趋势和挑战，以其创新平台技术Altair HyperWorks™系列软件帮助波音、NASA、洛克西德马丁、EADS等公司取得了大量前所未有的工程成果。

Altair 航天工业部分客户

Altair目前在航天工业仿真方面可应用的技术包括：

Altair解决方案在下列领域具有技术优势：

• 航天器有限元建模与可视化

• 航天器结构分析

• 航天器结构优化减重

• 航天器碰撞与冲击仿真

• 航天器多体动力学分析及优化

• 航天器复合材料设计、分析及优化

• 航天器增材制造与3D打印

• 航天器电磁分析

在现代航天器研发过程中，零件和装配越来越多，网格越来越精细，模型规模越来越大，模型管理日趋复杂。

Altair HyperMesh™是一个高质量、高效率并且开放的有限元前处理平台，可以创建、管理复杂的大规模有限元模型，提供从导入CAD到导出可计算文件的一体化解决方案。

其主要特点有：

• 高度交互的可视化环境

• 广泛的CAD、CAE和CFD软件接口，无缝接入现有仿真工作环境

• 高质量、高效率的1D、2D和3D网格划分和网格编辑技术

• 强大的模型装配及管理功能，轻松创建、管理零件连接

• 先进的网格变形技术，可在网格模型上直接实现方案更改

• 开放的环境与数量众多的API，灵活进行工具、流程的定制开发

结构强度、刚度、振动和疲劳是航天设备的重要考察指标，通常需要和相关物理试验进行对标。典型应用包括：

• 火箭、导弹、卫星整体及部件刚强度分析

• 弹体、卫星固有频率分析

• 飞行器热设计

• 导弹出筒、出水时结构响应及强度

• 弹体受水冲击的强度问题

• 飞行器在运输、发射、飞行过程中的振动冲击响应和疲劳分析

• 在轨飞行器的疲劳问题

• 复合材料结构的强度分析

Altair OptiStruct™是功能广泛的结构求解器，可用来分析静态和动态载荷条件下的线性和非线性结构问题。支持静力学、动力学、疲劳耐久、热传导及热应力、复合材料应力应变求解。

Altair OptiStruct™具有智能内存管理技术，内置自动多级子结构特征值求解器（AMSES）、快速频响分析（FASTFR），在保证求解精度的基础上提供了极高的求解效率。

NASA Lunar Prospector级间结构模态分析

焦面结构组件是卫星相机的关键组件，集光、机、电、热于一体。为了适应发射阶段和在轨阶段的力学环境要求，必须对关键部件进行力学分析与试验。焦面结构组件如下图所示，主要包括结构基体、反射镜、探测器组件以及探测器驱动电路盒等。

利用HyperMesh进行了结构前处理，利用OptiStruct进行了模态以及正弦扫频分析。

通过模态分析结果来看，一阶频率在900Hz以上，满足设计要求。正弦扫频时900Hz以内没有明显的加速度放大。在1000Hz左右测试敏感点的加速度放大倍数在1.5~1.8之间，满足设计要求。

焦面结构组件模型和前5阶频率

航天器对重量要求极为严格，工程师必须在满足苛刻的设计要求的前提下尽可能减轻重量。

为了最大化结构减重潜力，避免在设计后期陷入改无可改的境地，Altair推荐优化驱动的产品设计流程，在设计初期引入优化设计工具，从而使设计具有良好的减重基因，同时容易达到性能要求。

Altair 优化方案包含概念设计阶段的 Altair Inspire™，详细设计阶段的 Altair OptiStruct™，多学科优化阶段的 Altair HyperStudy™，覆盖航天器设计的各个阶段，从零部件级到系统级，为结构优化减重提供支撑。

OptiStruct拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，在工业界经过了二三十年的验证，得到了广泛应用。其主要优势有：

• 优化结果接近工程实际，更易采用

• 内置响应类型全面，还支持用方程，程序代码和Excel文件自定义响应

• 优化算法稳健高效

• 实用的制造加工工艺参数控制

• 完整的复合材料优化流程

• 多模型优化、失效安全的拓扑优化、栅格结构优化、显式工况优化等一系列引领潮流的优化技术

Thales Alenia Space是欧洲航空航天制造商，该公司设计，集成，测试，运营和交付在国防，地球观察，通讯，导航和安全领域的航天器，大约有7,500全球员工。

得益于Altair在设计优化领域的专业知识和航空航天领域的实施经验，Thales Alenia Space选择Altair合作研究优化设计技术和增材制造的应用。

在一个铝制支架设计中，使用OptiStruct拓扑优化技术，考虑热应力、模态频率的情况下，质量减少了48%，远超当初设定的减重15~20%的目标。

支架最终设计渲染图

在航天领域有碰撞与冲击仿真有广泛应用，包括高负载，大变形等复杂工况，涵盖航天产品的整个生命周期。典型应用有：

• 航天元器件高负载情况下的脱焊与失效问题

• 航天器液体容器在高负载，复杂运动情况下的液体晃动问题

• 航天器在轨空间碎片冲击问题（10公里/秒）

• 宇航员在发射与再进入过程中，人体损伤评估

• 航天器陆地/水上回收，以及回收设备（降落伞，缓冲气囊等）性能分析

Altair Radioss™是著名的非线性通用显式分析软件，可解决瞬态加载工况下结构的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性和接触非线性等非线性问题；也可以用于计算动载荷、静载荷下的固体结构、流体、流固耦合等问题。

Radioss 具有先进的混合并行求解技术，高级质量缩放技术，多域求解技术，拥有完整的材料本构和失效模型库，支持多物理场模拟技术，具有欧拉算法、任意欧拉-拉格朗日算法（ALE）、光顺粒子法（SPH）和有限体积法（FVM）。

载人航天器人体损伤评估

航天器回收：航空器硬着陆

低速、亚音速、超音速降落伞展开 

航天飞行器中存在大量的运动机构，如航天器对接过程中考虑减小碰撞力，调整对接部件的位置和姿态等，太阳能帆板展开，雷达运动、电机运动等，必须运用多体动力学技术对其进行分析和设计验证，获取荷载曲线以调整控制参数。

Altair MotionView™ 和 Altair MotionSolve™是通用的多体动力学前处理器和求解器，提供了一个易用、界面友好的多体系统建模环境，其内置的参数化建模和层级化建模语言可以使用户在物理样机出来之前快速实现机械系统的建模、分析和改进。

MotionSolve分析功能包括运动学、动力学、静力学、准静力学、线性和振动分析，具有全面的多体动力学解决方案来优化机械系统的性能，可以方便快捷的机构系统建模、分析、验证和优化，通过客户合作进行了大量的实验数据和仿真数据的对标，得到汽车、航空航天、通用机械等多个行业的验证。

利用多体动力学分析可以考察卫星在太阳帆板展开过程中，帆板的振动、变形及支架载荷的变化，还可以分析锁定装置的工作过程。星体近似为刚体，帆板采用柔性体。

卫星帆板展开过程接头力变化 

卫星帆板展开过程应力变化

应用MotionSolve和OptiStruct软件对某卫星天线机构铰链进行了减重优化，考虑机构运动工况下的荷载。

优化过程以铰链锁定状态时的刚度响应为约束条件，以减轻铰链质量作为目标。

比较了铰链优化前后的有限元模型及减重以后的整个机构的质量和刚度结果，对整个机构进行了初步的拓扑优化，铰链机构的有限元模型质量从优化前的2.21kg 降到优化后的1.68kg。

由于复合材料具有质量轻、较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温、耐烧蚀、透电磁波, 吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，所以是制造飞机、火箭、导弹、航天飞行器等产品的理想材料。

Altair公司具有全面的复合材料设计、分析、优化能力，为复合材料有限元仿真和优化提供完整的解决方案：

• 复合材料建模，支持复材设计软件FiberSim和CATIA 数据导入

• 复合材料铺层设计

• 复合材料分析（微观、宏观、验证和材料库等）

• 复合材料优化

复合材料一站式解决方案

X射线太空望远镜，是欧洲航天局建造的最大科学卫星, 发射于1999年。其中的复合材料望远镜显像管由芬兰Patria 公司建造，这一显像管的层合板结构由芬兰赫尔辛基技术大学轻型结构实验室采用ESAComp进行设计。 

借助ESAComp材料库和铺层设计工具和板，梁，筒的稳定性分析功能，进行复合材料的选型设计和验证分析。

ACY 5400是一个插件模块用来扩展阿里亚娜5的有效载荷以提供更大卫星的发射服务，结构设计与建造工作由瑞士Contraves Space AG公司完成，ESAComp 使用在材料选择和层合构件的优化。 

增材制造技术已在卫星与火箭等航天制造领域显示出重要的发展价值和应用潜力。调查显示，其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。增材制造在航天工程的应用中，具有许多优势：

• 使几何形状复杂的部件成为可能

• 提供更大的重量优势

• 显著降低组件数量

国际空间站上打印的套筒扳手

Altair Inspire™与OptiStruct为设计工程人员提供“仿真驱动设计”的创新解决方案，均支持增材制造结构的优化设计。它们还支持栅格结构的生成，并且支持不同的单胞类型，具有3D打印软件3-matic接口，优化结果可输出经3-matic处理后提交打印机直接打印。

为了尽可能避免打印过程中的工艺问题，Altair Inspire Print3d提供打印过程仿真，通过高级传热力学模型模拟打印，冷却，切割和回弹过程，快速识别缺陷如大变形，过热，断裂等，并显著减少计算时间。

Inspire Print3d 打印过程模拟 

下图是一个典型的增材制造优化设计流程，首先根据给定的设计空间、材料属性以及受力需求生成理想的形状，设计人员根据优化结果进行再设计，随后对优化结果或重构几何进行分析验证，然后经过工艺仿真确认，最后输出文件给打印机。

在瑞士知名跨国集团RUAG的卫星支架设计项目中，使用了Altair Inspire。

首先通过Inspire优化找到最优支架结构，由于该优化结果造型复杂，此项目还使用了Inspire多边形建模方式构建几何模型。

基于Parasolid实体核心，该设计结果还可以进行精确的打孔、修建等实体操作，能够与后续工程良好对接。最终该支架结构由金属3D打印实现，并成功送入太空。

Altair Inspire辅助设计3D打印卫星支架

Altair Feko™是专业的电磁场仿真工具，其全面的电磁求解算法及业内最成熟的多尺度电磁计算能力能够高效解决航天领域的电磁仿真问题。

航天领域的电磁仿真问题主要包含：卫星、火箭、航天飞船等航天器涉及的天线设计、天线布局、天线罩、电磁兼容（EMC）、雷击、高功率辐射场（HIRF）等。

Feko支持矩量法、高阶矩量法、有限元、多层快速多极子和全面的高频求解器（物理光学、射线几何光学等）等，并支持不同求解器之间的混合求解，在航天领域有着广泛的应用。

以天线+载体的辐射性能分析、多天线的隔离度计算为例，设计师必须评估天线在具体的布置环境中的性能参数，在大部分的设计中天线不能够获取足够理想的布置环境，周边的许多部件会对天线的辐射性能产生影响，Feko能够在产品开发的各个阶段对天线+载体的辐射性能进行快速求解、对天线布置的方案进行优化，确保无线通信设备的覆盖符合技术规范的要求。

天线+卫星 辐射性能分析

同时在电磁兼容（EMC）方面，结合Feko的线束模块、复合材料建模及分析模块，能够对航天器系统的辐射及抗干扰性能进行专门的分析。

以抗扰度（Immunity）分析为例，Feko能够精确求解航天器内部的重要设备放置区域、核心的线束在雷击、高功率辐射场（HIRF）作用下所受的电磁干扰强度，设计师能够对比不同的材料、不同的造型方案的抗干扰能力。

Altair HyperWorks仿真驱动设计的软件平台，为航天工程师提供从基于模型的系统设计和早期几何构思到详细的多物理场仿真和优化解决方案，可为航天飞行器设计的各阶段复杂需求提供有力保障。