拓扑立方体卫星

关键设计features:- Frame 针对特定任务条件（沿z轴的加速载荷）采用拓扑优化设计-开放式设计，有助于内部组件和皮肤之间的无阻碍传热-优雅简单的解决方案，7个部件（不包括4个螺钉）-材料-AlSi10Mg（密度=2.67 g/cm3，屈服应力=270+-10MPa，在打印机XY平面，垂直Z方向240+-10MPa）。-总材料体积=27.16 cm3。总质量=72.53 g（带导轨但不带螺钉）。用于设备的太阳能电池板和内部托架仅用于可视化目的，其质量不包括在内。-内部无障碍体积为903.1 cm3，便于布线和设备安装。-69G–0.098 mm下的最大挠度-69G–7.99 MPa下的最大应力-未提交专利申请，建议立方体设计Details:Introduction：3D打印允许设计几乎自由形式的结构，这是理想的结合拓扑优化（TopOpt），一种数学算法，其目的是获得一个最佳的结构载荷和边界条件。我的立方体卫星设计的核心是使用TopOpt算法获得的，在这种情况下，该算法的目标是在体积和平衡约束下使刚度最大化。有关优化器的详细信息，请参考以下来源。Optimizer:http://www.topopt.dtu.dk/?q=node/863Details 算法的公式化、有限元及优化solvers:http://www.topopt.dtu.dk/sites/default/files/main_topoptapp.pdfThorough 文献检索已经完成，以便清楚地概述结构上的载荷条件以及确定最佳材料。加州理工州立大学的Daniel Fluitt的硕士论文提供了有关立方体卫星结构的典型荷载条件的非常有价值的信息，并对使用各种塑料作为替代材料提供了见解。链接到Thesis:http：//digitalcommons.calpoly.edu/cgi/viewcontent.cgi？article=1851&；上下文=设计etails:StructureThe main 我的TopOpt立方体设计的一部分是主体、顶板和底板以及轨道。使用拓扑优化有助于为特定任务重新安排材料。在运载火箭加速过程中产生的压缩应力，在主体中形成的树状结构是非常有效的。此外，这种结构是非常开放的，这有利于内部组件和皮肤之间的无障碍传热。导轨按照CubeSat规范设计，每根导轨都包含一个锁定机构，具有双重用途。一方面，一旦顶板和底板就位，它将锁定；另一方面，它有助于将剪切荷载分散在更大的表面上，而不是将其定位在紧固件上。轨道只需要4个机器螺丝就可以固定。XY平面的外形尺寸是100x100毫米，但是我在四个侧面各留了一毫米用于皮肤放置。我假设皮肤将由1毫米厚的太阳能电池板组成，因此在安装之后，4个表面中的每一个都将与轨道齐平。为了可视化的目的，我把太阳能电池板和前后板结合在一起，再加上一些设备的架子，这种设计充分利用了附加制造的优势。它优雅、轻便，重量只有72.53克，而且效率很高，仅由7个部分组成，不包括螺丝。使用传统的铣削方法生产将具有挑战性且成本高昂，这使得添加式制造非常适合这种结构。MaterialI决定使用AlSi10Mg作为立方体的材料，与DMLS方法搭配使用。铝提供了一个伟大的强度重量比以及良好的热和导电性能。这种特殊的铝复合材料是通过谷歌搜索能够在金属上印刷的制造商发现的。一家名为GPI原型和制造服务公司（GPI Prototype and Manufacturing Services，Inc.）的公司将这种材料与其他粉末金属一起用于EOSINT M DMLS机器。根据他们的网站，上述材料的密度约为99.85%，可以满足<；空间质量损失1%。此外，该制造商声明其DMLS工艺的公差为? 100微米，满足立方体卫星的设计要求。最后，复合材料的强度随构建方向的不同而变化，因此Inventor中的y方向应与打印机中的z方向对齐，以便最大限度地提高结构的强度以抵抗载荷。请参考以下链接，以获取有关AlSi10Mg材料的完整说明。http://gpiprototype.com/images/PDF/EOS_Aluminium_AlSi10Mg_en.pdfOften 钛用于航空航天工业（也由同一制造商提供），但是在Inventor中进行的有限元分析，表明不需要增加钛的强度。丹尼尔·弗吕伊特的硕士论文提供了一个非常有趣的见解，即在立方体卫星的结构中使用各种塑料。然而，他指出，只有在构件尺寸大幅度增加的情况下，这些材料才适合这项工作。在他的研究中，他将自己的设计与现有的立方体卫星设计进行了比较，后者被称为超立方体，是加州理工州立大学机械工程系的一个高级项目。超立方体的内部体积为675 cm3，必须减少13%才能容纳较厚的构件，以适应荷载条件。使用铝和钛有助于将质量从大约120克显著降低到72.53克，而不会危及结构的完整性。如有限元输出所示，拓扑立方体所经历的最大应力远低于屈服应力。铝比钛便宜得多，使用铝和塑料的价格上涨是由于内部体积从675 cm3大幅增加到903.1 cm3，并且有机会制造出细长而坚固的构件。载荷在挑战的正文中提供了无载荷信息，因此在挑战中使用了载荷本设计采用上述硕士论文。根据这篇论文，elana6任务经历了最恶劣的振动条件，峰值均方根加速度为23g。作者通过将上述值乘以系数3来进行静态近似，这在假定结构具有单自由度的情况下是有效的。因此，在有限元分析中，69 G的加速度应用于我的模型