一种运载火箭多体仿真数据交互方法与流程

本发明涉及一种带有指令动作的多体动力学仿真方法，尤其是一种运载火箭多体仿真数据交互方法，属于运载火箭动力学仿真领域。

背景技术：

运载火箭飞行中，各部件按时序时串指令切换状态后，控制火箭按新状态工作。如发动机，在接到开机指令后启动并产生推力，贮箱内推进剂随之消耗，箭体轨道姿态等持续变化。类似的部件包括固体小火箭、分离弹簧、爆炸螺栓、箭上计算机、气动力等。这些部件的状态切换在时间上存在联系，同时部件间存在复杂数据交换，仿真程序编制、调试困难易出错，研究一种各型号通用的仿真方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种运载火箭多体仿真数据交互方法，将火箭运动表达为多体动力学虚拟样机下的仿真，将各部件动作的效果视为样机所受外力。设计了时序时串和交互数据管理方法，实现了运载火箭通用动力学仿真。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种运载火箭多体仿真数据交互方法，包括如下步骤：

(1)、建立运载火箭有限元模型；

(2)、进行运载火箭的关机分析，更新或获取当前的时序时间；

(3)、针对运载火箭各部件，通过所述时序时间和预先设定的偏移值，进行时串分析，获取运载火箭各部件所处状态；

(4)、为运载火箭各部件配置状态参数，同时建立各部件间交互数据卡，将各部件当前状态下的输出参数填充到交互数据卡内，其中输出参数包括各部件产生的外力以及各部件之间的交互参数；

(5)、利用第一类拉格朗日方程，将步骤(1)建立的有限元模型和步骤(4)中各部件产生的外力离散为微分-代数方程组，并求解方程组，得到运载火箭有限元模型中各结点的位移和载荷。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，步骤(2)中进行运载火箭的关机分析，获取当前的时序时间的具体方法如下：

(2.1)、建立时序数组da_TK，所述时序数组da_TK中的每个时序TKX表示无法提前预知的各个浮动指令；

(2.2)、对所述时序数组da_TK的每个时序进行初始化，初始化值为INF，表示默认所有时序均不发出；

(2.3)、在当前计算时刻Tstep，对于所述时序数组da_TK中的每个时序，按预定义的关机规则判断是否触发；如果有时序发生触发则进入步骤(2.4)，否则进入步骤(2.5)；

(2.4)、更改发生触发的时序的对应数组值为Tstep，并设置da_TK数组其它时序的对应数组值均为INF，表示其它时序均不会发出；

(2.5)、遍历所述时序数组da_TK，查找在当前计算时刻Tstep之前，时序数组da_TK内最接近Tstep的对应位置，此对应位置的时序TKX即为当前的时序时间。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(2.3)中预定义的关机规则包含定时关机、射程关机、耗尽关机、半长轴关机或小过载关机中的一种形式，或者它们的逻辑组合形式。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(3)中获取运载火箭各部件所处状态的具体方法如下：

(3.1)、设置各个部件的状态名；

(3.2)、针对每个状态名，设置“时序指针”+“偏移值”的数据结构。其中，时序指针指向所述时序数组da_TK中的时序TKX，偏移值PY为固定数值；

(3.3)、对于每个部件，遍历其所有状态，计算所有状态的TKX+PY值，组成数组TKPY，查找在当前计算时刻Tstep之前，所述数组TKPY中最接近Tstep的对应位置，此对应位置的状态即为该部件所处状态。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(3.2)中偏移值PY为double型数值。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(3)中运载火箭的各部件包括运载火箭的真实部件和虚拟部件，其中真实部件包括发动机、爆炸螺栓、固体小火箭和惯性器件，所述虚拟部件包括气动力和箭机内飞行程序。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(4)中数据卡表示运载火箭各部件带有的一段数组，表示该部件与其它部件的交互信息，数据卡进行统一的调度和分发。

在上述运载火箭多体仿真数据交互方法中，所述步骤(1)中通过有限元软件建立运载火箭有限元模型，并通过模态试验结果验证有限元模型的正确性，验证正确后进入步骤(2)。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明将火箭运动表达为多体动力学虚拟样机下的仿真，将各部件动作的效果视为样机所受外力，设计了时序时串和交互数据管理方法，实现了运载火箭通用动力学仿真，实现了运载火箭飞行轨道、姿态和载荷的计算；

(2)、本发明将运载火箭原有各部件自行管理的指令动作，改为统一的时序分析和时串分析，指令动作管理实现了通用性，且更为易用；

(3)、本发明通过将有限元模型直接构造为多体动力学虚拟样机，并将各部件作用效果转化为样机下的外力，从而不依赖于火箭级数、助推数目等结构形式，是各型运载火箭通用的动力学仿真平台；

(4)、本发明中的部件更为贴近运载火箭具体硬件，接口代表了真实硬件的具体行为且接口样式统一，具备自然接入半实物仿真样机的能力。

附图说明

图1为本发明时序数组示意图；

图2为本发明运载火箭各部件的状态示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明建立柔性多体动力学虚拟样机，代替当前普遍使用的数学模型后，开展运载火箭动力学仿真，具体的运载火箭多体仿真数据交互方法包括如下步骤：

(1)、通过有限元软件建立火箭有限元计算模型，并通过模态试验结果验证有限元模型的正确性，验证正确后进入步骤(2)，本发明中采用的有限元软件为Patran。

(2)、进行运载火箭的关机分析，更新或获取当前的时序时间，由时序生成器实现，具体实现方法如下：

(2.1)、建立时序数组da_TK，所述时序数组da_TK中的每个时序TKX表示无法提前预知的各个浮动指令。

(2.2)、对所述时序数组da_TK的每个时序进行初始化，初始化值为INF(预定义的一个较大的数值，例如本实施例中为1E100)，表示默认所有时序均不发出。

(2.3)、在当前计算时刻Tstep，对于所述时序数组da_TK中的每个时序，按预定义的关机规则判断是否触发，如果有时序发生触发则进入步骤(2.4)，否则，如果没有时序发生触发，则进入步骤(2.5)。

其中预定义的关机规则包含定时关机、射程关机、耗尽关机、半长轴关机或小过载关机中的一种形式，或者它们的逻辑组合形式。譬如起飞0s可设为0s的定时关机；

(2.4)、更改发生触发的时序的对应数组值为Tstep，并设置da_TK数组其它时序的对应数组值均为INF，表示其它时序均不会发出。

(2.5)、遍历所述时序数组da_TK，查找在当前计算时刻Tstep之前，时序数组da_TK内最接近Tstep的对应位置，此对应位置的时序TKX即为当前的时序时间。如图1所示为本发明时序数组示意图，当前时序为TK1。

(3)、针对运载火箭各部件，通过时序时间和预先设定的偏移值，进行时串分析，获取各部件所处状态，由时串发生器实现，其中运载火箭各部件可为火箭真实部件，如发动机、爆炸螺栓、固体小火箭、惯性器件等，也可以为虚拟部件，如气动力、箭机内飞行程序等。具体实现方法如下：

(3.1)、设置各个部件的状态名；如一级III发动机包括启动、关机、故障等状态名。每个部件可以有任意种状态，定义形式可灵活多变，譬如气动力部件，在0.2Ma数以下可设为一种状态，在0.2Ma以上是另一种状态。

(3.2)、针对每个状态名，设置“时序指针”+“偏移值”的数据结构。其中，时序指针指向所述时序数组da_TK中的时序TKX，偏移值PY为固定数值。譬如发动机启动状态可对应TK1+0.3s，关机状态对应TK2+0.0s，表示TK1时序0.3s后激活启动状态，TK2时序0s后激活关机状态。如模拟123s发动机推力下降，只需要添加一个新的故障状态，并设置在TK0+123s触发此故障状态；偏移值PY为double型数值，

(3.3)、对于每个部件，遍历其所有状态，计算所有状态的TKX+PY值，组成数组TKPY，查找在当前计算时刻Tstep之前，所述数组TKPY中最接近Tstep的对应位置，此对应位置的状态即为该部件所处状态。

(4)、对于运载火箭各部件，配置状态参数，同时建立各部件间交互数据卡，将各部件当前状态下的输出参数填充到数据卡内，输出参数中包括部件产生的外力以及与其它部件交互参数，具体实现方法如下：

(4.1)、在部件的每个状态中，配置本状态所需的状态参数，表示进入本状态计算时所需的参数，譬如发动机启动状态的小偏差方程，或关机状态下的推力曲线。

(4.2)、每个部件带有一段数组，表示本部件与其它部件的交互信息，称为“数据卡”，数据卡初始化时绑定到多体动力学求解器开辟的内存空间上，由管理程序统一完成调度和分发。如每台发动机部件带有一段数组，数组第1个元素为推力，第2-6为各推进剂流量，7-11为增压流量，12-13为姿控摆角。

(4.3)、针对各部件，根据步骤(2)和(3)得到的状态，读取本状态配置参数，计算出本部件的相关输出参数并填充到数据卡内。

如图2所示为本发明各部件及其状态，各部件可定义任意多的状态和数据卡交互参数。每个状态均定义了时序时串配置以及状态的配置参数。如图2中启动状态，在TK0发出后0.3s被激活，根据预先配置的参数，执行计算，输出计算后的发动机推力、推进剂流量等。图2中，状态名、时序时串配置、状态配置参数均可在外部开展配置，从而可以不更改程序，方便地实现型号通用化配置、修改、故障工况的添加等。

(5)、利用第一类拉格朗日方程，在绝对结点坐标下，将步骤(1)建立的有限元模型和步骤(4)中的外力离散为微分-代数方程组，并求解方程组，得到运载火箭有限元模型中各结点的位移和载荷。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。