ULA火箭船尾拓扑优化支撑连接结构

该支撑连接件应用于运载火箭箭体尾部舱段内部，承担舱内设备与主承力结构之间的载荷传递功能，是箭体结构系统中负责分散集中应力、维持局部结构刚度的关键受力部件。在火箭飞行的全流程工况中，该部件需要承受起飞阶段的大推力纵向过载、飞行段的气动扰动交变载荷、级间分离时刻的瞬时冲击载荷，同时还要适配箭体内部紧凑的安装空间，在有限的布置边界内实现载荷的平顺传递，避免局部应力集中引发的结构失效风险。

从结构功能特性来看，该部件采用对称式双安装耳座搭配中间镂空承力梁的构型，两端的耳座设置同轴安装通孔，用于通过高锁螺栓与箭体主承力桁条完成固定连接，耳座与主承力梁之间采用大曲率圆弧过渡，消除传统直角连接带来的应力集中隐患。中间承力区域并非采用等截面实心结构，而是通过拓扑优化算法迭代生成的仿生式变截面构型，在载荷传递的主路径上保留足够的材料厚度，在非主要承力区域做大面积的镂空挖除处理，在不降低整体结构刚度与强度阈值的前提下，最大限度去除冗余材料，实现结构件的轻量化目标，这对于对起飞重量控制极为严苛的运载火箭而言，每一克的结构减重都能直接转化为有效载荷的提升空间。

在设计思路层面，该结构没有沿用传统航天支撑件的经验式构型设计逻辑，而是基于给定的安装边界、载荷工况、约束条件，通过生成式设计算法迭代出最优的材料分布路径：首先明确两端安装孔的固定约束条件，输入全工况下的载荷谱数据，设定刚度、强度、疲劳寿命的最低阈值，以最小化结构质量为优化目标，经过多轮迭代计算得到初始的材料分布形态，再结合铸造工艺的成型要求对局部细节做工艺性修正，比如将过于尖锐的棱角调整为符合铸造拔模要求的圆角，将局部过薄的壁厚调整到满足铸造工艺最小壁厚要求的尺寸，确保最终结构既满足力学性能要求，又具备批量铸造生产的工艺可行性。

从安装边界与尺寸适配角度来看，该部件的两个安装耳座的孔位间距严格匹配箭体尾部桁条的标准安装孔距，耳座的贴合面做了平面度精加工处理，确保安装后与桁条表面完全贴合，避免安装间隙带来的附加弯矩。部件整体的外轮廓尺寸完全适配箭体尾部舱段的内部安装空间，不会与周边的管路、电缆、其他设备产生安装干涉，中间镂空的区域还可以为部分小直径管路提供穿越空间，提升舱内空间的利用率。部件的整体高度控制在对应舱段的径向安装尺寸范围内，不会超出舱体的内壁轮廓，满足箭体总装的尺寸公差要求。

在实际工况的受力表现上，经过拓扑优化的结构可以让载荷沿着连续的材料路径平顺传递，不会出现传统实心结构中常见的应力滞止区域，整个结构的应力分布更加均匀，在最大过载工况下，结构的最大应力值远低于所选铸造航天合金材料的屈服强度，同时结构的一阶固有频率避开了火箭发动机的主要振动频率区间，避免飞行过程中出现共振风险。和传统经验设计的同载荷等级支撑支架相比，该结构的整体重量降低了近四成，同时刚度指标还有小幅提升，完美契合航天结构设计中“为每一克减重优化”的设计原则。

从工艺实现角度，该结构的复杂曲面构型完全适配精密铸造工艺，不需要后续大量的机加工工序，仅需要对安装孔、安装贴合面做少量的精加工即可满足装配精度要求，能够有效降低生产制造成本，缩短生产周期，适配航天型号产品批量生产的需求。结构的所有过渡曲面均做了圆角处理，不存在铸造过程中容易产生缩孔、裂纹的锐角结构，能够有效提升铸件的成品率，降低生产过程中的质量风险。