一种用于x射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器产品设计技术领域，特别涉及一种用于X射线脉冲星导航装置 的多物理场耦合分析方法。
【背景技术】
[0002] 随着军事需求的驱动、资源探测和科学探索的需要，X射线脉冲星导航技术得到了 飞速发展。X射线脉冲星导航仪作为该领域的核心载荷，其空间分辨率、时间分辨率、导航精 度等性能指标不断提高，导航仪性能要求的提升也决定了对整个装置的光学系统与支撑结 构的稳定度和尺寸提出了更为苛刻的要求。与此同时，随着小卫星技术的发展，对X射线脉 冲星导航仪的轻量化程度要求却持续增长。而X射线脉冲星导航仪的设计涉及到光、机、热 多个学科，是一个多学科相互作用，综合权衡的过程。
[0003] 然而，在早期的串行设计中，各领域设计人员不能全面考虑各分系统设计参数之 间的相互影响，由于缺乏设计空间仪器的经验，为保证其正常工作，通常对设计参数采用 较大的安全裕量，试制工程样机后，再根据实验结果来判断设计的合理性并对某些结构形 式或参数进行对比、修改，使其最终达到总体技术指标的要求这种设计方法不仅工作量 大，代价高，周期长，而且设计结果很难达到最优化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在与克服现有技术的不足，提供了一种用于X射线脉冲星导航装置 的多物理耦合分析方法，该方法基于有限元法建立热-结构耦合方程，实现了X射线脉冲星 导航装置的耦合分析，解决了传统的单一学科分析，不考虑其他学科的耦合影响而带来的 过于保守的复杂产品耦合分析问题。
[0005] 本发明的上述目的通过以下的技术方案实现：
[0006] -种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法，包括以下步骤：
[0007](1)、根据设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数，确定X射线脉冲星导航 装置的几何参数，所述几何参数包括光学系统的焦距f、光学镜头前端外孔径和内孔 4工Dimer;
[0008] (2)、根据步骤（1)确定的X射线脉冲星导航装置的几何参数，建立所述装置的三 维数学模型；然后通过如下方法建立与三维数学模型对应的有限元分析模型：将所述三维 数学模型导入到有限元分析软件中，设置所述装置部件的材料、热膨胀系数、泊松比、弹性 模量和刚性模量；然后在所述模型上划分网格，将整个三维模型划分为Q个节点；其中，Q为 正整数；
[0009] (3)、在步骤（2)建立的有限元分析模型中设置形变量提取点，具体实现方法如 下：在光学镜头的内表面上，沿着镜头的轴线方向设置N条曲线，并在每条曲线上设置M个 点，即得到丽个形变量提取点；其中，M、N均为正整数；
[0010](4)、在所述有限元分析模型上施加设定的热源激励和外力激励，并根据结构-热 耦合分析方程计算得到MN个形变量提取点的形变量；
[0011] (5)、根据步骤（4)计算得到的形变量，确定MN个形变量提取点的新坐标位置，并 对所述MN个新位置点进行拟合，得到形变后的光学镜头内表面。
[0012] 上述的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法，在步骤（1)中，计算 光学系统焦距f、光学镜头前端外孔径〇_"和内孔径D imOT的具体计算公式如下：
【主权项】
1. 一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法，其特征在于包括以下步 骤： (1) 、根据设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数，确定X射线脉冲星导航装 置的几何参数，所述几何参数包括光学系统的焦距f、光学镜头前端外孔径D tjuteJP内孔径 Dinner; (2) 、根据步骤（1)确定的X射线脉冲星导航装置的几何参数，建立所述装置的三维数 学模型；然后通过如下方法建立与三维数学模型对应的有限元分析模型：将所述三维数学 模型导入到有限元分析软件中，设置所述装置部件的材料、热膨胀系数、泊松比、弹性模量 和刚性模量；然后在所述模型上划分网格，将整个三维模型划分为Q个节点；其中，Q为正整 数； (3) 、在步骤（2)建立的有限元分析模型中设置形变量提取点，具体实现方法如下：在 光学镜头的内表面上，沿着镜头的轴线方向设置N条曲线，并在每条曲线上设置M个点，即 得到丽个形变量提取点；其中，M、N均为正整数； (4) 、在所述有限元分析模型上施加设定的热源激励和外力激励，并根据结构-热耦合 分析方程计算得到MN个形变量提取点的形变量； (5) 、根据步骤（4)计算得到的形变量，确定MN个形变量提取点的新坐标位置，并对所 述MN个新位置点进行拟合，得到形变后的光学镜头内表面。
2. 根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法， 其特征在于：在步骤（1)中，计算光学系统焦距f、光学镜头前端外孔径〇_"和内孔径D imw 的具体计算公式如下：
其中，《、RE、L和a为设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数，具体为为 设定的光学系统半视场角，Re为探测器有效半径；a =20 _，0_为设定的光子最大掠入 射角；L为设定的光学镜头长度。
3. 根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法， 其特征在于：在步骤（4)中，MN个形变量提取点的形变量计算过程如下： (4a)、在光学镜头上建立圆柱坐标系，其中，圆柱坐标系的轴向与光学镜头的中心轴线 方向一致；在所述圆柱坐标系中，第m个形变量提取点的轴向坐标、径向坐标和角度坐标分 别为：zm、r m、0m，其中，m=l，2，...，MN; (4b)、在有限元分析模型上施加热源激励和外力激励，通过力学分析得到有限元分析 模型中所有节点的应力，从而确定MN个形变量提取点上的正应力和切应力；并通过热学分 析得到各节点之间的热传递量，从而确定出MN个形变量提取点的温度变化量；其中，第m个 形变量提取点上的正应力包括过轴向正应力〇 z，m、径向正应力〇 r，m和角度正应力〇 e，m;第 m个形变量提取点上的切应力包括径向切应力Trr， m、r0向切应力Tr0，m和rz向切应力 T^ ^第m个形变量提取点上的温度变化量为A Tm，m= 1，2，…，丽； (4c)、根据如下的结构-热耦合方程计算得到MN个形变量提取点上的形变量：
其中，￡Z，m、￡0，m分别为第m个形变量提取点的轴向IH应变量、径向IH应变量和 角度向正应变量；Y"，m、Yd，m、7%">分别为第m个形变量提取点的径向切应变量、r0向 切应变量和rz向切应变量；u m、a m、Em、Gm分别为第m个形变量提取点的泊松比、热膨胀系 数、弹性模量和刚性模量；m= 1、2、…、MN。
4. 根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法， 其特征在于：在步骤（5)的拟合过程中，将N个轴向曲线分别进行拟合计算，即分别对每条 曲线对应的M个点进行拟合得到1条形变后的轴向曲线，将拟合得到的N条曲线构成形变 后的光学镜头内表面。
5. 根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法， 其特征在于：在步骤（5)中，拟合得到光学镜头内表面后，分别计算拟合后的MN个形变量提 取点与拟合前的MN个形变量提取点之间的距离，以及拟合前后MN个形变量提取点处的轴 向斜率，其中，第m个形变量提取点拟合前后的距离为d m，且拟合前后的轴向斜率分别为 和Rm，m= 1、2、如果max(dm)彡Dth且max(|Rm-r m|)彡ARth，则判断拟合结果正确， 如果max (dm) >Dth且max (I R m_rm I) > A Rth，则调整拟合公式重新进行拟合计算；其中，Dth为设 定的距离判决门限；A Rth为设定的斜率差判决门限。
【专利摘要】本发明提供了一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法，该方法基于有限元法建立热-结构耦合方程，提出了X射线光学镜头形变量提取方法和面形拟合方法，实现了X射线脉冲星导航装置的耦合分析，揭示单一物理场位移形变及多物理场耦合形变对导航装置性能的影响规律，解决了传统的单一学科分析，不考虑其他学科的耦合影响而带来的过于保守的复杂产品耦合分析问题；该方法集成直接耦合方程、有限元分析方法、自适应面形提取与拟合方法，实现了X射线脉冲星导航装置整个耦合分析过程的一体化、自动化，实现了各物理场、各分析阶段中多源数据的自动映射与传递，提高了耦合分析的效率。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104820753
【申请号】CN201510243799
【发明人】李连升, 梅志武, 吕政欣, 邓楼楼, 莫亚男
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月13日