拓扑优化+3D打印 | AI驱动设计未来：Altair Inspire正让航空航天“轻”装上阵
2019年，嫦娥四号中继卫星成功进入预定轨道，人类首次实现月球背面探测。很少有人知道，这颗卫星上有一个关键部件——斜装动量轮支架，重量比传统设计减轻了整整一半。这个突破源自Altair Inspire软件的创新应用，为中国航天器轻量化设计开辟了新路径。
01 探月背后的轻量化革命
传统卫星支架采用铝合金棒料机械加工而成，减重方法是在侧壁上开规则减重孔及减小壁厚。这种方法存在明显局限——当壁厚太薄或减重孔太多时，加工过程容易变形，最终精度难以保证。
嫦娥四号任务对支架提出了更高要求。动量轮是关键的姿控执行部件，其安装精度直接影响卫星姿态控制。如何在不牺牲性能的前提下实现最大减重？航天东方红的工程师们将目光投向了拓扑优化和增材制造技术。
设计团队利用Altair Inspire对支架进行拓扑优化，将设计思路从传统的 “先设计结构再校核性能”转变为“先确定性能要求，再得出最优结构”的全新范式。
“通过Altair Inspire优化设计的卫星斜装动量轮支架，接受了上星验证、力学验证、飞行验证等各项航天级环境试验，并随嫦娥四号中继卫星成功飞行。目前该卫星已经成功入轨，状态良好。”航天东方红卫星有限公司机热工程部刘质加部长介绍道。
02 突破性技术实现50%减重奇迹
Altair Inspire采用了先进的OptiStruct优化求解器，界面友好易用。工程师首先明确了设计约束：动量轮有4个安装螺钉，安装法兰在腰部，支架下端通过7个螺钉与卫星连接，姿控要求安装角度为45°。
在设计过程中，团队清晰界定了设计空间和非设计空间。设计空间为支架本体，需要预留回转部分开口及螺钉操作空间；非设计空间则为动量轮安装法兰提供安装面及螺钉孔。
拓扑优化以保证250Hz最小刚度下的质量最小化为目标。优化结果显示出了最优的材料分布和传力路径，为设计师提供了前所未有的结构设计思路。
但真正的挑战在于制造。拓扑优化产生的有机形状复杂结构，传统加工工艺无法实现。Altair Inspire的PolyNURBS模块解决了这一难题——它采用多边形建模方式，可以直接生成适合3D打印的CAD模型。
工程师对优化结果进行重构和光顺处理后，支架采用AlSi10Mg铝合金通过选区激光融化成型工艺（SLM）3D打印制造。最终成品不仅满足所有力学要求，更实现了惊人的50%减重，大幅降低了卫星发射成本。
03 航空航天领域的应用拓展
Altair Inspire在航空航天领域的应用远不止于卫星支架。2020年，南非航空制造解决方案提供商Aerosud启动Aeroswift项目，旨在开发新一代金属增材制造系统。
Aeroswift系统能打印比以往大得多的零件，速度比商用激光熔融设备快10倍。为展示这一能力，工程师使用Altair Inspire设计了一个大型钛合金无人机框架。
设计过程中，团队面临多重挑战：满足打印机成型空间要求、实现无人机对称电机布置、达到2.5：1的推力重量比、保证15分钟飞行时间，同时最大化框架刚度。Altair Inspire的拓扑优化功能帮助团队找到了最佳解决方案。
“使用Altair Inspire我们可以建立一套流程来帮助我们获得更高标准和质量的拓扑优化框架结构。”Aeroswift运营经理Jacobus Prinsloo表示，“没有Altair工具，我们将无法充分发挥增材制造的潜力。”
今年2月，初创企业Meridian Flight Systems加入Altair Aerospace初创企业加速计划（ASAP），利用Altair的仿真工具开发Corra无人机及其混合电动增程微型涡轮能源系统（HERMES）。
Meridian首席执行官Saïf-Deen Akanni指出：“Altair一流的软件解决方案和技术专长将帮助优化Corra无人机的设计和性能，同时加速混合动力系统的开发进程。”
04 产学研合作驱动未来创新
今年5月，Altair与佐治亚理工学院签署谅解备忘录，推动航空航天领域创新。佐治亚理工学院是美国顶尖航空航天工程院校之一，其丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院被评为全美顶尖的公立航空航天工程研究生项目。
根据协议，佐治亚理工学院的航空航天系统设计实验室将获得Altair资源的无限访问权限，支持其利用仿真和数据分析软件构建技术演示器的高级研究和项目。双方将共同探索如何利用仿真、数据分析和人工智能重塑航空、航天和机器人应用领域的运营。
“与Altair合作，让我们能够利用转型技术，帮助教师和学生突破航空航天工程领域的界限。”佐治亚理工学院杰出教授兼ASDL主任Dimitri Mavris表示。
今年1月，Altair还与英国克兰菲尔德大学签署谅解备忘录，推进人工智能、仿真和数据分析在航空航天和机器人领域的应用。克兰菲尔德大学是欧洲唯一一所拥有自己机场和跑道的大学，也是英国最大的航空航天和航天硕士学位课程提供者。
克兰菲尔德大学人工智能、机器人和空间主任Antonios Tsourdos教授表示：“我们期待与Altair合作，寻找整合技术的方法，以支持学生及其研究项目，并加速与克兰菲尔德合作的初创企业的发展。”
05 技术交流展示AI与仿真融合
上个月，Altair“AI驱动，仿真未来”区域技术交流会圆满落幕。系列会议在北京、上海、深圳和成都四地举行，聚焦仿真技术、人工智能与高性能计算的深度融合。
会议展示了Altair在多学科仿真优化、AI赋能设计自动化等领域的创新解决方案。最新发布的Altair HyperWorks 2025平台深度融合AI技术内核，通过集成先进的机器学习和新型AI框架，赋能工程师快速、精准地进行产品性能预测与设计优化。
“AI+仿真驱动创新正在成为企业实现技术突破和商业价值的关键路径。”Altair大中华及东盟总经理刘源博士强调，“Altair将持续以领先的计算智能解决方案，助力客户突破传统研发边界。”
在四站会议中，40多场技术主题演讲从多物理场仿真平台、多学科与系统仿真、结构设计与仿真等热点应用主题展开。与会企业代表亲身体验了Altair SimSolid无网格仿真技术、HyperWorks 2025新功能以及physicsAI、romAI等AI驱动的设计仿真工具。
06 技术优势引领行业变革
Altair Inspire在航空航天领域的优势显而易见。拓扑优化技术重新定义了结构设计流程，使工程师能够在概念设计阶段就确定最优传力路径，大幅缩短开发周期。
与传统CAD软件不同，Altair Inspire的PolyNURBS功能采用Parasolid的多边形建模技术，解决了复杂优化结果难以转为CAD模型的工程难题。设计模型可直接导入制造软件，实现设计与制造的无缝衔接。
增材制造技术的结合释放了设计自由度。传统工艺难以加工的复杂几何形状，通过3D打印轻松实现。在嫦娥四号支架案例中，这种结合不仅实现了50%的减重，更保证了产品强度和精度满足航天级标准。
随着AI技术的融入，Altair解决方案正在进化。Altair航空航天和国防高级副总裁Pietro Cervellera博士指出：“Altair的仿真、数据和AI技术已经对全球航空航天公司产生了颠覆性影响——无论它们是初创公司还是成熟巨头。”
全球航空航天领域，从佐治亚理工学院的研究实验室到中国航天科技集团公司的卫星工厂，Altair Inspire正悄然改变着飞行器的设计方式。今年夏天在成都结束的Altair技术交流会上，一位工程师现场体验了AI驱动的拓扑优化设计后感叹：“设计效率提升了数倍，材料浪费减少了70%以上。”
随着西门子完成对Altair的收购，这款软件将与西门子Xcelerator解决方案深度整合。未来，当更多卫星飞向月球、更高效的无人机翱翔天际，背后可能都有一个共同的技术推手——Altair Inspire。
