基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]返回艙著陸地球是載人航天任務(wù)的最后階段，返回艙能否安全著陸是檢驗航天任務(wù)成敗的一個重要的標(biāo)準(zhǔn)。返回艙著陸地球是一個嚴(yán)酷的沖擊過程，在此過程中將會對航天員以及艙內(nèi)設(shè)備儀器產(chǎn)生很大的沖擊載荷，為了保證其安全著陸，需要在初始研制設(shè)計階段對其分析研究。返回艙的安全著陸問題是載人航天任務(wù)中的一個重要研究課題，各航天大國在進(jìn)行載人航天任務(wù)時都針對該課題有過很多的研究。從試驗驗證手段到利用數(shù)值仿真方法，對返回艙不同工況下的著陸沖擊響應(yīng)進(jìn)行仿真分析是研究該課題的發(fā)展趨勢。
[0003]返回艙作為一類航天器，在返回艙的設(shè)計和試驗過程中的諸多問題，返回艙力學(xué)環(huán)境預(yù)示顯得尤為突出。力學(xué)環(huán)境是檢驗返回艙結(jié)構(gòu)設(shè)計及制定試驗條件的重要手段，在初始設(shè)計階段需要對其動力學(xué)環(huán)境作出預(yù)示?；诹W(xué)環(huán)境預(yù)示得到的力學(xué)環(huán)境條件，是航天器及其設(shè)備設(shè)計和地面驗證試驗的主要依據(jù)，直接決定著航天器結(jié)構(gòu)和設(shè)備的輕重，影響著地面驗證試驗的有效性。本文采用仿真分析的方法來預(yù)測返回器著陸沖擊動力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而制定其力學(xué)環(huán)境條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為解決不能真實反應(yīng)返回器有效載荷沖擊響應(yīng)的問題，提出一種基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法，適用于返回器方案設(shè)計階段。
[0005]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法:首先，建立返回器軟著陸的非線性有限元模型，然后對模型進(jìn)行非線性有限元求解，得到返回器結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)；在得到關(guān)心位置處的加速度響應(yīng)后，采用遞歸數(shù)字濾波方法計算結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的沖擊譜，用于描述返回器著陸沖擊的力學(xué)環(huán)境；最后采用包絡(luò)譜的方法得到最大期望環(huán)境，用于制定設(shè)備的設(shè)計和測試條件。
[0007]基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法，具體步驟如下:
[0008]步驟1:按照力學(xué)環(huán)境預(yù)示要求進(jìn)行組件劃分。將返回器劃分為前端、側(cè)壁、大梁、大底、大底加強梁五個組件。
[0009]步驟2:組件的有限元建模。
[0010]步驟2.1:提取步驟1中劃分出的各組件的幾何特征尺寸、組件安裝位置和相鄰組件間的裝配關(guān)系；同時提取地球土壤的幾何特征尺寸和相鄰組件間的裝配關(guān)系；并將提取的幾何特征尺寸儲存在以各組件名稱命名的配置文件中，將組件安裝位置和裝配信息儲存在裝配配置文件中。
[0011]步驟2.2:建立返回器組件及地球土壤的有限元模型:根據(jù)步驟2.1提取的幾何特征尺寸，分別建立頂板、側(cè)板、隔板、底板、貯箱、太陽翼、緩沖腿、足墊和地球土壤的幾何模型；根據(jù)有限元網(wǎng)格控制信息(網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格類型)，對各個幾何模型劃分有限元網(wǎng)格。然后依次對各個有限元網(wǎng)格賦予實際各組件和地球土壤結(jié)構(gòu)對應(yīng)的材料屬性，分別建立各組件及地球土壤的有限元模型。
[0012]步驟2.3:建立組裝體模型:根據(jù)步驟2.1提取的各個組件的安裝位置和裝配關(guān)系，將步驟2.2建立的各組件及地球土壤的有限元模型安裝到對應(yīng)位置，然后建立相鄰組件間的連接關(guān)系，形成組裝體模型。
[0013]步驟3:建立仿真工況配置文件，將仿真工況信息(包括返回器著陸狀態(tài)的載荷及邊界條件、仿真算法的積分步長和仿真時間)儲存在仿真工況配置文件，根據(jù)工況數(shù)目的不同，建立每個仿真工況的配置文件。
[0014]步驟4:建立仿真模型:根據(jù)步驟3內(nèi)仿真工況配置文件內(nèi)的仿真信息，在步驟2得到的返回器組裝體模型上施加載荷和邊界條件，選擇仿真時間和積分步長，最終建立有限元軟件的求解器能識別的輸入文件。
[0015]步驟5:有限元計算，將步驟4中得到的輸入文件提交給有限元軟件進(jìn)行計算，得到仿真結(jié)果文件。
[0016]步驟6:建立力學(xué)環(huán)境預(yù)示后處理配置文件，將組件名稱和需要輸出結(jié)果的有限元節(jié)點編號寫入該文件中。
[0017]步驟7:有限元結(jié)果提取。打開步驟5得到的仿真結(jié)果文件，根據(jù)步驟6的力學(xué)環(huán)境預(yù)示后處理配置文件提供的輸出節(jié)點編號及其所在的組件名稱，從步驟5得到的仿真結(jié)果文件中提取對應(yīng)節(jié)點的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入以組件名命名的文本文件并降該文件存儲在對應(yīng)工況的文件夾下。
[0018]步驟8:著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析，采用加速度的沖擊響應(yīng)譜描述返回器的著陸力學(xué)環(huán)境。
[0019]步驟8.1:建立存儲沖擊相應(yīng)譜數(shù)據(jù)的文件夾，并在該文件夾下建立子文件夾，各子文件夾的名稱為步驟1劃分的組件所對應(yīng)的名字。
[0020]步驟8.2:采用遞歸數(shù)字濾波算法將步驟5得到的所有工況下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜，并將相同組件的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)存儲在步驟8.1所建立的以組件名字命名的子文件夾中。
[0021 ] 步驟8.3:將步驟8.2得到的同一組件上所有輸出節(jié)點的沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行包絡(luò)，該包絡(luò)即為組件的著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示。
[0022]至此實現(xiàn)了一種基于返回器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法，解決了返回器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示建模過程易錯、結(jié)果文件管理混亂的問題。
[0023]步驟5所述仿真結(jié)果文件包括有限元節(jié)點編號以及對應(yīng)節(jié)點的響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0024]步驟5所述計算能通過商業(yè)有限元軟件Abaqus、MSC.Patran、Ansys、Hyperfforks中任意一款實現(xiàn)。
[0025]有益效果
[0026]本發(fā)明可以快速針對不同仿真工況，進(jìn)行不同工況沖擊響應(yīng)譜包絡(luò)分析，得到包絡(luò)后的沖擊響應(yīng)譜，包絡(luò)曲線可以真實反應(yīng)返回器有效載荷沖擊響應(yīng)中的最惡劣情況，并據(jù)此進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
[0027]本發(fā)明利用返回器的數(shù)學(xué)模型預(yù)示其著陸沖擊的力學(xué)環(huán)境，能夠在返回器設(shè)計的初始階段為返回器上的雷達(dá)、座椅、天線、矢量發(fā)動機、桅桿等眾多有效載荷提供設(shè)計上的限制條件，不依賴于任何試驗數(shù)據(jù)，節(jié)約了產(chǎn)品設(shè)計成本。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的返回器軟著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)示方法的流程示意圖；
[0029]圖2為【具體實施方式】中返回器的裝配體有限元模型示意圖；
[0030]圖3為【具體實施方式】中3種典型工況下返回器大底所有測點加速度沖擊響應(yīng)譜包絡(luò)譜的再次包絡(luò)；
【具體實施方式】
[0031]—種基于返回器組件的著陸力學(xué)環(huán)境分析方法，如圖1所示，具體步驟如下:
[0032]步驟1:按照力學(xué)環(huán)境預(yù)示要求進(jìn)行組件劃分。將返回器劃分為返回器前端1、返回器側(cè)壁2、返回器大梁3、返回器大底4、返回器大底加強梁5，如圖2所示。
[0033]返回器上攜帶多種有效載荷，模型十分復(fù)雜，涉及到的幾何尺寸繁多。本發(fā)明首先照力學(xué)環(huán)境預(yù)示要求對返回器的物理模型進(jìn)行簡化并進(jìn)行組件劃分:返回器軟著陸動力學(xué)響應(yīng)分析的根本目的是為了得到返回器上有效載荷的力學(xué)環(huán)境，從而制定著陸階段的振動試驗條件。而有效載荷的力學(xué)環(huán)境一般由沖擊響應(yīng)譜衡量，返回器有效載荷主要集中在大梁上，因此需要得到的物理量是返回器大梁上有效載荷(返回器大梁中不同梁交點)處的加速度響應(yīng)。
[0034]為驗證有效載荷在返回器著陸沖擊時能否承受力學(xué)環(huán)境并能正常工作的能力，需要根據(jù)有效載荷的不同以及有效載荷的分布特點進(jìn)行振動試驗，這要求對返回器進(jìn)行組件化分。
[0035]按照不同的試驗區(qū)域，即力學(xué)環(huán)境的要求將返回器組件劃分為:返回器前端、返回器側(cè)壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加強梁。將對應(yīng)有效載荷的質(zhì)量均勻分布到相應(yīng)組件上。
[0036]步驟2:組件的有限元建模，包括返回器前端、返回器側(cè)壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加強梁和地球土壤。
[0037]步驟2.1:提取各組件(包括返回器前端、返回器側(cè)壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加強梁)幾何特征尺寸、組件安裝位置和相鄰組件間的裝配關(guān)系以及地球土壤的幾何特征尺寸、相鄰組件間的裝配關(guān)系。其中返回器前端和返回器側(cè)壁之間為固定連接，返回器大底和返回器側(cè)壁為固定連接，返回器大底和返回器大底加強梁為固定連接，返回器大底和返回器大梁為固定連接，返回器大底和地球土壤之間為接觸(摩擦系數(shù)取0.1)。
[0038]在計算機硬盤上建立工作目錄空文件夾，目錄全稱為A，用于存放仿真用到的所有模型。然后在文件夾A下建立空文件夾Material (材料)、container (前端)、side (側(cè)壁)、cross (大梁)、bottom (大底)、bottom-copy (大底加強梁)、Earth (地球土壤)Assembly (組裝體)、Analysis (分析)、0utput (結(jié)果)，分別用于存放即將建立的模型材料庫文件、各組件模型文件、地球土壤模型文件、返回器組裝體模型文件、可用于進(jìn)行返回器軟著陸仿真的模型文件和加速度結(jié)果文件。
[0039]將提取的組件和地球土壤的幾何特征尺寸及有限元網(wǎng)格控制信息分別寫入對應(yīng)的配置文件 -container.dat、side.dat、cross.dat、bottom.dat、bottom_copy.dat、Earth.dat。配置文件分別存放在上述對應(yīng)的文件夾內(nèi)-container、side、cross.dat、bottom、bottom-copy、Earth。在文件夾Assembly下建立仿真工況配置文件sysassmebly.date
[0040]步驟2.2:建立返回器組件及地球土壤的有限元模型:
[0041]利用商業(yè)有限元軟件Abaqus建立返回器模型的材料庫material, cae，用于保存返回器模型和地球土壤的所有材料。
[0042]利用封裝的Python程序，將material, cae文件復(fù)制到各個組件文件夾(container、side、cross, dat、bottom、bottom-copy)下并更名為 container, cae、side,cae、cross, cae、bottom, cae、bottom-copy.cae、Earth, cae 作為組件和地球土壤模型文件。然后通過Python程序讀取步驟2.1建立的組件和地球土壤模型配置文件，根據(jù)配置文件中提供的組件和地球土壤幾何特征尺寸和有限元網(wǎng)格控制信息驅(qū)動Abaqus軟件打開并修改組件和地球土壤模型文件(contain