拓扑优化航天器舱段连接支架结构

该构件为航天运载器舱段内部的尾端连接支撑件，主要承担舱内设备与舱壁结构之间的载荷传递作用，在发射阶段的过载、振动工况下，需同时兼顾自身重量控制与结构刚度、强度要求，是航天结构轻量化设计的典型应用构件。从实际使用场景来看，这类支架安装在火箭尾舱的内部安装面上，两端的带孔耳片通过紧固件分别对接舱壁主承力结构与内部搭载的设备安装接口，中间的连接梁承担跨距间的载荷传导，既要承受发射过程中轴向的大过载冲击，也要抵御飞行段横向的振动载荷，避免连接部位出现应力集中导致的结构失效。设计过程中采用了拓扑优化的生成式设计思路，以给定的安装边界、载荷工况、应力约束为前提，在非承力区域尽可能去除冗余材料，最终形成的曲面化构型完全贴合应力传递路径，没有多余的实体结构，相比传统等截面或经验设计的支架，在相同刚度、强度指标下重量大幅降低，符合航天产品每克重量都需严格控制的设计要求。从安装边界来看，两端耳片的安装孔位同轴度、孔位与安装面的形位公差都有严格要求，耳片背面的贴合面为适配舱壁曲面的随形面，能保证安装时与对接面完全贴合，避免局部接触应力过大；中间的镂空梁结构采用变截面设计，在载荷传递的主路径上保留足够的材料厚度，非主承力区域则通过曲面过渡去除材料，所有转角位置都做了大圆弧过渡处理，从根源上减少应力集中点，避免交变载荷下的疲劳裂纹产生。这类拓扑优化生成的承力支架，打破了传统机械加工结构的规则构型限制，所有曲面形态都服务于载荷传递需求，没有为了外观做多余的造型设计，每一处结构形态都对应明确的力学作用，既满足了航天场景下极致轻量化的需求，也通过结构形态的优化保证了足够的安全裕度，在实际装配时不需要额外增加补强结构，就能适配多工况下的载荷要求，为航天结构件的轻量化设计提供了可参考的构型方向。