一种运载火箭舱段振动响应特性快速分析及优化方法与流程

本发明属于本发明属于产品性能快速分析领域，具体涉及一种运载火箭舱段振动响应特性分析优化方法及系统。

背景技术：

在运载火箭方案设计阶段，为了快速有效地分析运载火箭舱段结构对其振动环境的影响，亟需一种基于结构特征可快速分析其振动响应特性的虚拟振动试验平台，这对于缩短研制周期、降低试验成本、提高设计水平具有重要的现实意义。

运载火箭在发射及飞行阶段会经历严酷而复杂的振动环境，其振源包括主发动机工作过程中的推力脉动及喷流噪声、气动噪声、姿控发动机工作起的振动激励。不合理的结构设计参数会导致舱段结构及其仪器设备经历严酷的振动环境，导致精密仪器和仪表不能进行正常工作，甚至会造成箭体结构在其薄弱环节发生灾难性的损坏，进而引起飞行失利。因此,在火箭总体方案设计阶段,对火箭及各舱段进行振动响应分析及预示是极为重要的。为了保证运载火箭的安全性，运载火箭各舱段都需进行振动响应特性分析。

传统的运载火箭舱段振动响应分析方法一般采用数值分析方法，设计人员先要在CAD软件中根据舱段的结构一步一步手动绘制其模型，然后将模型导入到CAE软件中，进行单元定义、材料定义、网格划分、振动激励设置等前处理操作后递交仿真计算，最后后处理设置完成后才能查看振动响应结果数据，根据结果数据设计人员还需对结构参数进行修改、调整，重复上述步骤，重复上述步骤，直到满足动力学指标要求为止。这种分析方法效率低，成本高，周期长，协同性差，在当今航天装备更新换代不断加速的背景下严重制约了航天装备发展速度。

技术实现要素：

针对现有技术的迫切需求，本发明提供一种运载火箭舱段振动响应特性快速分析优化方法及系统，其目的在于，通过本发明可对运载火箭舱段的振动响应特性进行仿真实验，可以快速、准确、有效地分析实验数据，并可根据分析结果对舱段结构参数值进行调整优化，输出得到运载火箭舱段的最优结构模型，可提高研发效率，提升设计质量，缩短设计周期。

为实现上述目的，本发明提供一种运载火箭舱段振动响应特性分析优化系统，该系统包括以下模块：

虚拟样机模块，用于实现火箭舱段振动仿真实验及特性分析，包括参数化单元、三维模型单元和分析模型单元：

所述参数化单元，用于分析运载火箭舱段的结构特征、力学性能特征和振动条件特征，将运载火箭舱段的结构特征和力学性能特征和振动条件特征参数化，并调用数据库管理模块将结构特征参数和力学性能特征参数和振动条件特征参数存储到数据库中；

所述三维模型单元，用于调用数据库管理模块，读取运载火箭舱段结构特征参数，建立运载火箭舱段三维模型；

所述分析模型单元，用于调用三维模型单元，建立和三维模型对应的分析模型，再读取力学性能特征参数和振动条件特征参数建立分析模型进行火箭舱段振动仿真实验，输出振动响应参数，调用数据库管理模块将振动响应参数存储到数据库中；

数据库管理模块，实现结构特征参数、力学性能特征参数、振动条件参数和振动响应参数的数据查询、数据储存、数据读取功能；

人机交互模块，用于通过人机交互界面实现各种人机交互操作，包括运行环境参数设置单元、虚拟试验方案设计单元、虚拟试验过程控制单元和虚拟试验结果显示单元，其中：

运行环境参数设置单元，用于调用三维模型单元和分析模型单元，初始化三维模型单元和分析模型单元；

虚拟试验方案设计单元,用于调用参数化单元，得到运载火箭舱段的结构参数、力学性能参数和振动条件参数，根据参数选择实验方案，并调用数据库管理模块将结构参数、力学性能参数、振动条件参数和实验方案存储到数据库中，并建立对应关系；

虚拟试验过程控制单元,用于调用三维模型单元、分析模型单元和数据库管理模块，从数据库中读取运载火箭舱段的结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数，并将结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数作为三维模型单元和分析模型单元的输入参数，同时由分析模型单元输出振动响应参数，将振动响应参数存储到数据库中；

虚拟试验结果显示单元,用于调用数据库管理模块，通过输入查询字段从数据库中查询得到对应的实验结果参数并将实验结果参数进行显示。

同时本发明还提供了一种运载火箭舱段振动响应特性分析优化方法，该方法包括以下步骤：

(1)进入运行环境参数设置单元，初始化三维模型单元、分析模型单元；

(2)进入虚拟试验方案设计单元，调用参数化单元，得到运载火箭舱段的结构参数、力学性能参数和振动条件参数，根据参数选择相应的实验方案，将上述参数和实验方案存储到数据库中，并建立对应关系；

(3)进入虚拟试验过程控制单元，从数据库中读取运载火箭舱段的结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数，并将结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数作为三维模型单元和分析模型单元的输入参数，同时由分析模型单元输出振动响应参数，将振动响应参数存储到数据库中；

(4)进入虚拟试验结果显示界面，输入需要显示的虚拟振动试验结果查询字段，从数据库中查询得到振动响应参数并在虚拟振动试验结果显示界面中显示振动响应参数，包括运载火箭舱段各位置处功率谱密度响应曲线、振动响应有效值分布云图和振动响应动画；

(5)将振动响应参数和标准振动响应参数进行对比，若优于标准振动响应参数则判定运载火箭舱段的性能满足指标要求，进入步骤(6)；否则调节结构参数，返回步骤(2)；

(6)将数据库中标注的最优结构参数值输出得到运载火箭舱段的最优结构模型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：本发明以待评估运载火箭舱段的结构特征参数、力学性能参数和振动条件参数为输入参数，进行虚拟振动仿真实验，分析了解运载火箭舱段在这种振动条件下的振动响应特性，从而快速、准确、有效地分析其振动响应特性和结构方案的可行性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例系统结构图；

图2为本发明较佳实施例步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为一种运载火箭舱段振动响应特性分析优化系统，该系统包括以下模块：

虚拟样机模块，用于实现火箭舱段振动仿真实验及特性分析，包括参数化单元、三维模型单元和分析模型单元：

所述参数化单元，用于分析运载火箭舱段的结构特征、力学性能特征和振动条件特征，将运载火箭舱段的结构特征和力学性能特征和振动条件特征参数化，并调用数据库管理模块将结构特征参数和力学性能特征参数和振动条件特征参数存储到数据库中；

所述三维模型单元，用于调用数据库管理模块，读取运载火箭舱段结构特征参数，依据分析的运载火箭舱段结构特征参数，在CATIA(一种计算机辅助设计软件)软件中输入参数建立对应的CAD(计算机辅助设计)模型，具体运用CATIA软件的Table表格功能；

所述分析模型单元，用于三维模型单元，运用ANSYS(一种计算机辅助工程软件)软件提供的二次开发工具APDL语言，编写APDL参数化命令流，建立与CAD模型对应的CAE(计算机辅助工程)分析模型，具体为CAE模型的舱段直径、舱段长度和壁厚等结构特征参数值和CAD模型完全一致，另外还需在参数化命令流中添加虚拟振动激励加载、网格划分、求解设置等程序模块，以便在求解分析时使用，输出振动响应参数，调用数据库管理模块将振动响应参数存储到数据库中；

数据库管理模块，以Microsoft Access为后台数据存储器，使用Delphi语言实现各项数据存储、查找、读取等功能，综合数据需求与存档数据，分析各数据间的关系，按照提供的功能和描述工具，设计出数据冗余少、正确反映数据关系、能满足多种查询要求的数据模型；

人机交互模块，基于Delphi语言，用于通过人机交互界面实现各种人机交互操作，包括运行环境参数设置单元、虚拟试验方案设计单元、虚拟试验过程控制单元和虚拟试验结果显示单元，其中：

运行环境参数设置单元，初始化ANSYS软件和CATIA软件；

虚拟试验方案设计单元,用于调用参数化单元，得到运载火箭舱段的结构参数、力学性能参数和振动条件参数，根据参数选择实验方案，并调用数据库管理模块将结构参数、力学性能参数、振动条件参数和实验方案存储到数据库中，并建立对应关系；

虚拟试验过程控制单元,用于调用三维模型单元、分析模型单元和数据库管理模块，从数据库中读取运载火箭舱段的结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数，并将结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数作为三维模型单元和分析模型单元的输入参数，同时由分析模型单元输出振动响应参数，将振动响应参数存储到数据库中；

虚拟试验结果显示单元,用于调用数据库管理模块，通过输入查询字段从数据库中查询得到对应的实验结果，随后在虚拟试验结果显示界面中显示相应位置处功率谱密度响应曲线、振动响应有效值分布云图、振动动画。

如图2所示为一种运载火箭舱段振动响应特性分析优化方法，该方法包括以下步骤：

(1)进入运行环境参数设置单元，初始化ANSYS软件和CATIA软件

(2)进入虚拟试验方案设计单元，调用参数化单元，得到运载火箭舱段的结构参数、力学性能参数和振动条件参数，根据参数选择相应的实验方案，将上述参数和实验方案存储到数据库中，并建立对应关系；

(3)进入虚拟试验过程控制单元，从数据库中读取运载火箭舱段的结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数，并将结构参数值、力学性能参数值和振动条件参数作为三维模型单元和分析模型单元的输入参数，同时由分析模型单元输出振动响应参数，将振动响应参数存储到数据库中；

(4)进入虚拟试验结果显示界面，输入需要显示的虚拟振动试验结果查询字段，从数据库中查询得到振动响应参数并在虚拟振动试验结果显示界面中显示振动响应参数，包括运载火箭舱段各位置处功率谱密度响应曲线、振动响应有效值分布云图和振动响应动画；

(5)将振动响应参数和标准振动响应参数进行对比，若优于标准振动响应参数则判定运载火箭舱段的性能满足指标要求，进入步骤(6)；否则调节结构参数，返回步骤(2)；

(6)将数据库中标注的最优结构参数值输出得到运载火箭舱段的最优结构模型。

对于以上实施例，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。