一种新的卫星整流罩虚拟分离方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及一种航天领域的设计方法，具体是一种卫星整流罩分离设计中的虚拟 分离方法。
[0003]
【背景技术】
[0004] 卫星整流罩在初始分离力的冲击作用下，表现出很强的非线性行为。其运动形态 不再是单纯的刚体运动，而是具有呼吸、摇摆和扭转等运动，是整流罩弹性振动与刚体运动 的复合运动。其中刚体运动影响其过顶角速度、脱钩角等重要分离参数；而弹性振动会严重 影响整流罩的包络空间，对火箭所携带的有效载荷存在潜在的空间上的威胁。因此，在卫星 整流罩的设计中必须进行分离设计，摸清其分离及变形规律，以保证分离可靠性，同时提供 安全的有效载荷空间。
[0005] 目前，广泛应用多体动力学理论来进行此类分离计算，包括多刚体以及刚柔耦合 算法。董寻虎等在上海航天，2005，第五期：28-33上发表文章"大型柔性整流罩抛罩多 体动力学仿真"，文中使用刚体铰链与柔性体整流罩，应用刚柔耦合算法对整流罩的虚拟分 离进行了仿真。该方法在求解效率以及整流罩分离总体参数的获取方面有其较好的可靠 性。然而，该类方法在计算整流罩弹性变形时采用的是基于线性的模态叠加法，忽略了其非 线性行为，严重影响计算精度。
[0006] 为了更准确的研究整流罩受冲击分离力下的非线性弹性动力学规律，有必要引入 新的方法来模拟其非线性行为，提高仿真精度。显示非线性动力学有限元算法既可以计算 物体的大位移运动，也可以对弹性大变形进行有效模拟，在处理具有大变形、大位移的物理 现象时有其优势，因而可以有效的补充以上提到的刚柔耦合算法。目前较成熟的非线性显 示算法求解器为LS-DYNA。
[0007]
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题是现有整流罩分离方法在计算整流罩弹性变形时的精度不高； 为解决所述问题，本发明提供一种新的卫星整流罩虚拟分离方法。
[0009] 本发明提供的卫星整流罩虚拟分离方法，包括： 步骤一、建立卫星整流罩分离有限元数学模型； 步骤二、应用非线性显示算法对所述有限元数学模型进行求解； 步骤三、在所述有限元数学模型中去除分离弹簧模型，得到更新后的有限元数学模型， 并将步骤二得到的计算结果代入更新后的有限元数学模型； 步骤四、应用非线性显示算法计算剩余时间内的整流罩分离过程，并获得计算结果。
[0010] 进一步，所述有限元数学模型由结构模型、材料模型、分离载荷模型以及接触模型 组合而成。
[0011] +进一步，所述有限元数学模型的运动微分方程为：
【主权项】
1. 一种卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，包括： 步骤一、建立卫星整流罩分离有限元数学模型； 步骤二、应用非线性显示算法对所述有限元数学模型进行求解； 步骤三、在所述有限元数学模型中去除分离弹簧模型，得到更新后的有限元数学模型， 并将步骤二得到的计算结果代入更新后的有限元数学模型； 步骤四、应用非线性显示算法计算剩余时间内的整流罩分离过程，并获得计算结果。
2. 依据权利要求1所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述有限元数学模 型由结构模型、材料模型、分离载荷模型以及接触模型组合而成。
3. 依据权利要求2所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述有限元数学模 型的运动微分方程为：=户匕)-,_(￡,) +ifC_s) 其中，M为总体质量矩阵i和！^为总体节点的速度和加速度矢量；P(&)为总体载 荷矢量，由节点载荷、面力和体积力形成；为内力矢量，为单元内力和接触力之和； 〃&)为沙漏阻力；C为结构阻尼矩阵义代表当前时刻。
4. 依据权利要求2所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述结构模型根据 整流罩的结构确定，其中，整流罩纵向、横向分离面的端框为壳单元形式；蒙皮为壳单元形 式；桁条为梁单元形式；环框为壳单元形式；所有附件及装配件以集中质量的形式建模，并 通过刚性连接至整流罩主体结构上；各部分的连接采用节点重合方法。
5. 依据权利要求2所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述材料模型根据 结构各部分的材料类型而确定：金属模型采用各向同性材料模型；复合材料采用复合材料 模型，包含材料本体信息、粘结信息以及铺层信息。
6. 依据权利要求2所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述分离载荷模 型根据实际分离力确定：弹射筒的作用力采用时间与力所定义曲线的集中力模型，具体为 ?士办1 = ；112，...>?，其中4为第3个时刻，4为第2个时刻对应的力1为数据点数目 ；对于 整流罩根部的分离弹簧的作用力，采用具有初始预压缩量以及线性刚度的弹簧单元定义， J? =HT;j为分离弹簧的初始压缩力，5为弹簧刚度，工为弹簧位移，p为 分离弹簧的最大有效行程；将火箭过载以集中力方式施加到箭体上，於《?§，其中# 为过载系数，规为全箭质量，S为重力加速度。
7. 依据权利要求2所述的卫星整流罩虚拟分离方法，其特征在于，所述接触模型定义 接触行为的主动段与被动段，具体包括：左半罩与右半罩的纵向分离面；横向分离面的端 框与支撑舱端框之间的接触面；整流罩公铰链与母铰链之间的接触对。
【专利摘要】本发明公开了一种卫星整流罩虚拟分离方法，包括：步骤一、建立卫星整流罩分离有限元数学模型；步骤二、应用非线性显示算法对所述有限元数学模型进行求解；步骤三、在所述有限元数学模型中去除分离弹簧模型，得到更新后的有限元数学模型，并将步骤二得到的计算结果代入更新后的有限元数学模型；步骤四、应用非线性显示算法计算剩余时间内的整流罩分离过程，并获得计算结果。通过本发明可以提高卫星整流罩分离仿真精度。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104699877
【申请号】CN201310663136
【发明人】赵志杰, 狄文斌, 刘靖华
【申请人】上海宇航系统工程研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月10日