基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法与流程

本发明涉及所有存在两体分离碰撞检测的工程应用技术领域，包括导弹总体设计、武器系统设计、运载火箭总体设计等航空航天领域以及民用领域，如级间分离碰撞检测、整流罩分离碰撞检测、机弹分离碰撞检测等，尤其涉及到基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，导弹、运载火箭等飞行器的组成及外形越来越复杂，其中一个重要特征就是在飞行器的飞行过程中需要完成至少一个分离过程。存在分离过程的工况，可以是导弹为了增加射程而增加助推器，在助推器工作结束后为减少消极质量进行级间分离以抛掉助推器；可以是存在进气道的导弹增加整流罩，在吸气式发动机点火前保护进气道和保证气动外形规则，助推结束后抛掉整流罩以实现进气道工作和吸气式发动机点火；也可以是载机发射导弹时的机弹分离。在方案论证及试验阶段，分离过程的安全性分析显得尤为重要。

目前已有的安全评估方法通常是采用adams等商业软件建立三维模型或者采用基于cfd的动网格分离计算方法。前者存在动力学模型开发难度大，通常采用动力学仿真软件的输出作为输入，驱动三维模型进行分析；后者存在网格设计难度大、计算量庞大的问题。两种评估方法评估周期均较长，难以满足方案论证和试验阶段的迭代评估需求。

技术实现要素：

针对目前现有技术中评估方法的不足，本发明提出一种基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法，通过构建极限危险面从而极大的减少计算量和系统复杂度；通过分析危险点数据库中危险点和危险面的关系给出安全性结论。该方法便于编程实现，从而满足大量安全性分析的需求。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法，基于两个分离体的几何模型和可能的运动特性，确定两个分离体分离过程中会发生碰撞的危险面，以此为基础选择尺寸规则的极限危险面，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s1：确定两个分离体的极限危险面，代替原有几何外形用于开展碰撞检测；

步骤s2：对其中一个分离体a的极限危险面布撒网格，以网格上经纬线交点作为碰撞检测点形成危险点数据库，对另一个分离体b的极限危险面建立特征函数模型，确立点面位置关系；

步骤s3：对分离体a的每个碰撞检测点开展与分离体b极限危险面的碰撞检测，综合所有检测结果给出两个分离体的碰撞检测情况。

更进一步地，步骤s1具体包括：

步骤s101：对两个分离体的几何外形进行分析，结合可能的运动过程，确定可能发生碰撞的危险面；

步骤s102：对两个分离体的危险面进行几何形状规则化，根据贴近危险面边界建立几何形状规则的新危险面的原则，确定几何尺寸规则且更危险的极限危险面，建立数学模型并替代原危险面参与碰撞检测。

更进一步地，步骤s2具体包括：

步骤s201：依据危险面几何曲率变化大导致局部网格密的原则，对其中一个分离体a的极限危险面布撒网格，在表征危险面几何曲率变化平缓的部位的同时，对部分凸起部位的特征也进行描述，最终得到网格经纬线交点在分离体a弹体坐标系内的数学表示，形成危险点数据库；

步骤s202：对另一个分离体b的极限危险面，在其弹体坐标系内建立相应的数学描述，即特征函数模型；

步骤s203：将分离体a的危险点数据库通过坐标转换转换到分离体b弹体坐标系内进行表示。

更进一步地，步骤s3具体包括：

步骤s301，对分离体a极限危险面上的每一个碰撞检测点，检测其与分离体b极限危险面数学描述的位置关系，给出碰撞检测结果；

步骤302，综合所有碰撞检测点的检测结果，给出两个分离体的碰撞检测情形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出的基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法，充分考虑了两体分离过程中可能发生碰撞的危险面，并对其进行进一步危险化得到尺寸规则的极限危险面，通过网格布撒确定碰撞检测点的方法进行两个分离体的碰撞检测，所得到的碰撞检测结论比实际情况更加严格，可保证两体分离方案的设计裕度，并且该方法具有可编程性强、计算量小、简单有效、可在线检测的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例对应的整流罩分离过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明实施例对应的整流罩分离过程示意图。如图1所示，本发明本发明提供的基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法，能够在动力学实时仿真的同时，在线分析两体分离安全性，给出分离安全性结论。

本发明提供的一种基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法，基于两个分离体的几何模型和可能的运动特性，确定两个分离体分离过程中会发生碰撞的危险面，以此为基础选择尺寸规则的极限危险面，包括以下步骤：

步骤s1：确定两个分离体的极限危险面，代替原有几何外形用于开展碰撞检测；

步骤s2：对其中一个分离体a的极限危险面布撒网格，以网格上经纬线交点作为碰撞检测点形成危险点数据库，对另一个分离体b的极限危险面建立特征函数模型，确立点面位置关系；

步骤s3：对分离体a的每个碰撞检测点开展与分离体b极限危险面的碰撞检测，综合所有检测结果给出两个分离体的碰撞检测情况。

更进一步地，步骤s1具体包括：

步骤s101：对两个分离体的几何外形进行分析，结合可能的运动过程，确定可能发生碰撞的危险面；

步骤s102：对两个分离体的危险面进行几何形状规则化，根据贴近危险面边界建立几何形状规则的新危险面的原则，确定几何尺寸规则且更危险的极限危险面，建立数学模型并替代原危险面参与碰撞检测。

更进一步地，步骤s2具体包括：

步骤s201：依据危险面几何曲率变化大导致局部网格密的原则，对其中一个分离体a的极限危险面布撒网格，在表征危险面几何曲率变化平缓的部位的同时，对部分凸起部位的特征也进行描述，最终得到网格经纬线交点在分离体a弹体坐标系内的数学表示，形成危险点数据库；

步骤s202：对另一个分离体b的极限危险面，在其弹体坐标系内建立相应的数学描述，即特征函数模型；

步骤s203：将分离体a的危险点数据库通过坐标转换转换到分离体b弹体坐标系内进行表示。

更进一步地，步骤s3具体包括：

步骤s301，对分离体a极限危险面上的每一个碰撞检测点，检测其与分离体b极限危险面数学描述的位置关系，给出碰撞检测结果；

步骤302，综合所有碰撞检测点的检测结果，给出两个分离体的碰撞检测情形。

根据本发明的一个具体实施例，针对本发明的基于极限危险面网格布撒的两体分离碰撞检测方法具体步骤中，包括：确定两个分离体的极限危险面；建立分离体a的危险点数据库和分离体b的极限危险面数学描述；依据危险点数据库中的危险点与分离体b极限危险面的位置关系分析给出当前状态的碰撞检测结果。

在本实施例中，本实施例的两体分离碰撞检测方法是这样实现的：

取分离体a内部的最大圆锥作为分离体a的极限危险面，其为图1中的右边部分外边界；

取分离体b头部作为危险部位，选择以其圆柱段直径作为底面直径，以其头锥母线为母线且尖点与分离体b尖点重合的圆锥作为分离体b的极限危险面，其为图1中左边形状部分外边界。

而本实施例中还具体包括：在分离体a的弹体坐标系内建立极限危险面的数学模型。设p(px,py,pz)为极限危险面上任一点，则δx代表危险点沿分离体a弹体轴向的密度，点p距离弹体坐标系x轴的距离依据“据危险面几何曲率变化大导致局部网格密”的原则，将沿r圆周的危险点密度δρ与r关联，ρ＝0:δρ:2π,有在r圆周上的危险点p对应的另两个坐标为py＝rsinρ，pz＝rcosρ；通过以上模型得到危险点数据库中任一点p在分离体a弹体坐标系的表示，基于危险点密度δx和δρ，得到危险点数据库。

在分离体b的弹体坐标系内建立极限危险面的特征函数数学模型，设q(qx,qy,qz)为极限危险面上任一点，其距离弹体坐标系x轴的距离为:

而本实施例中还具体包括：将位于分离体a中的极限危险点数据库通过坐标转换在分离体b弹体坐标系内表示，对于点p，其在分离体a弹体坐标系内用矢量表示为则在分离体b弹体坐标系内的矢量表示为为发射坐标系到分离体b弹体坐标系转移矩阵，为分离体弹体坐标系到发射坐标系转移矩阵，为分离体a质心相对分离体b质心的矢量；计算任一点p在分离体a弹体坐标系内的表示距离分离体a弹体坐标系x轴的距离计算分离体a弹体坐标系内处极限危险面上任一点距离x轴的距离

判断碰撞关系，若rc＞r0，则点p未与分离体b碰撞，否则发生碰撞，按照此规则完成危险点数据库中所有点的碰撞检测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。