返回器软着陆动力学的参数化仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及返回器软着陆动力学的参数化仿真方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002]当前我国探月工程的核心是载人探月并保证宇航员安全返回。为了保障返回器上搭载的设备与人员的安全，使得载人返回器平缓、顺利地返回地球表面，防止出现返回器过载或倾倒，必须对返回器着陆过程进行严格的动力学分析与研究。
[0003]舱体着陆冲击问题，各国的学者都进行了各方面的研究，研究方法主要有改进试制试验、经验理论方法以及有限元模拟计算方法等。大量的试验通常能够得到比较真实的结果，但是由于其一般费用较高，周期较长。对于经典的理论方法，由于成功的载人返回着陆案例极少，难以提供参考。随着有限元方法的广泛应用以及动力学分析软件的不断发展，利用有限元方法求解返回舱的着陆冲击问题成为一种趋势。有限元模拟计算方法具有周期短、投入成本低、重复性好等优点，能够更加真实地描述实际情况，较为细致地反映结构对着陆冲击特性的影响。
[0004]但是由于考虑了更多的力学因素，返回器有限元模型的建立过程更加复杂。另外，由于改变返回器的某一个特征尺寸的同时需要重新划分有限元网格，而返回器各个组件间的连接又与网格节点密切相关。所以在初始设计阶段，返回器构型的任何微小变化都会带来网格划分和连接设置上的重复操作，对于返回器这种大型的航天器结构来说，建模上大量的重复操作既繁琐又易出错，严重影响设计效率。
[0005]之前，专利CN103678824A针对月球探测器提出了参数化仿真的方法，但是在返回器建模中返回器大底采用壳结构，原有参数化方法很难准确建模返回器大底加强梁，并精确描述返回器大底加强梁对返回器大底的加固效果；同时返回器大梁结构复杂，原方法应用二维梁建模、定义梁截面和材料性质描述三维实体，这种方式存在问题，缺少对主承力结构梁的细致建模和优化。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术在返回器软着陆过程动力学分析中的设计效率低以及梁结构的设计精度低的问题，提供一种返回器软着陆动力学的参数化仿真方法。该方法能够生成各组件的有限元网格模型并自动完成梁结构组装、返回器模型装配、求解工况设定、求解计算和结果提取;可以精确反映返回器着陆过程中塑性变形和梁承力状态。返回器包括返回器前端、返回器侧壁、返回器大底、返回器器大底加强梁、返回器大梁。
[0007]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0008]返回器软着陆动力学的参数化仿真方法，具体步骤如下:
[0009]步骤1:提取返回器组件的几何特征尺寸、组件安装位置和相邻组件间的装配关系；提取地球土壤的几何特征尺寸以及地球土壤与返回器组件的装配关系；返回器组件由返回器前端、返回器侧壁、返回器大底、返回器大梁组成；
[0010]步骤2:提取返回器梁结构的几何特征尺寸(安装方向、截面形状)、组件安装位置和相邻组件间的装配关系。返回器梁结构由返回器大梁、返回器侧壁加强梁、返回器大底加强梁组成；
[0011]步骤3:建立返回器组件及地球土壤模型配置文件，每个配置文件中存放步骤1提取的返回器前端、返回器侧壁、返回器大底、返回器大梁和地球土壤的几何特征尺寸，以及它们各自的有限元网格控制信息;有限元网格控制信息包括网格尺寸和网格类型；
[0012]步骤4:建立返回器梁结构配置文件，每个配置文件中存放步骤2提取的返回器大梁、返回器侧壁加强梁、返回器大底加强梁的几何特征尺寸；
[0013]步骤5:建立返回器组件及地球土壤的有限元模型:根据步骤3建立的配置文件中的几何特征尺寸及有限元网格控制信息，分别建立返回器前端、返回器侧壁、返回器大底、返回器大梁和地球土壤的几何模型，并对各个几何模型划分有限元网格。然后依次对各个有限元网格赋予实际返回器和地球土壤结构对应的材料属性。
[0014]步骤6:建立返回器组件的梁结构:根据步骤4建立的配置文件中的几何特征尺寸，分别修改步骤5中返回器侧壁、返回器大底和返回器大梁的几何模型。
[0015]步骤7:建立返回器各组件的装配体模型配置文件，用于存放步骤1提取到的各个组件的安装位置和相邻组件间的装配关系。
[0016]步骤8:建立返回器参数化装配体模型:根据步骤7建立的装配体配置文件中提供的各个组件的安装位置和装配关系，建立全局坐标系;然后将步骤6所得的修改后的返回器侧壁、返回器大底和返回器大梁的几何模型安装到全局坐标系的对应位置;再将步骤5返回器前端的几何模型安装到全局坐标系的对应位置;然后建立相邻组件间的连接关系，形成参数化的装配体模型用于后续计算。
[0017]步骤9:建立仿真模型配置文件，用于存放仿真工况信息。仿真工况信息包括返回器着陆状态的载荷及边界条件、仿真算法的积分步长和仿真时间。
[0018]步骤10:建立参数化仿真模型;根据步骤9建立的仿真模型配置文件中提供的仿真工况信息，在步骤8得到的返回器参数化装配体模型上施加载荷和边界条件，选择仿真时间和积分步长，最终建立有限元软件的求解器能识别的输入文件。
[0019]步骤11:有限元计算，将步骤10中得到的输入文件提交给有限元软件进行计算，得到仿真结果文件。所述仿真结果文件包括有限元节点编号以及对应节点的响应数据。
[0020]步骤12:建立结果后处理配置文件，用于存放需要输出结果的节点所在的组件名称和有限元节点编号。
[0021]步骤13:参数化结果后处理，根据步骤12建立的结果后处理配置文件提供的节点编号及其所在的组件名称，打开步骤11得到的仿真结果文件，从中提取对应节点的响应数据，将数据写入文本文件并画图保存。
[0022]步骤11中所述有限元软件包括商业有限元软件Abaqus、MSC.Patran、Ansys或者HyperWorks中任意一款。
[0023]有益效果
[0024]1、本发明解决了现有技术在返回器软着陆过程动力学分析中的设计效率低以及梁结构的设计精度低的问题，提供一种返回器软着陆动力学的参数化仿真方法。该方法能够生成各组件的有限元网格模型并自动完成梁结构组装、返回器模型装配、求解工况设定、求解计算和结果提取;可以精确反映返回器着陆过程中塑性变形和梁承力状态。
[0025]2、本发明实现了返回器软着陆动力学参数化模型的自动化建立，避免了返回器的有限元建模过程中改变某一个特征尺寸引起的网格重划分和组件连接关系重设定给设计人员带来的重复劳动。将建模与仿真和结果后处理模块集成为统一的参数化分析方法，解决了现有技术在返回器软着陆过程动力学分析中的设计效率问题。参数化分析的输入参数与执行程序分离，可以结合工程领域已有技术对返回器实现优化设计。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的返回器软着陆动力学的参数化仿真流程示意图；
[0027]图2为【具体实施方式】中返回器的装配体几何模型示意图；
[0028]图3为【具体实施方式】中返回器大底中心点的加速度响应与已有试验数据的对比。
【具体实施方式】
[0029]下面结合实施例和附图对本
【发明内容】
作进一步说明。
[0030]步骤1:简化返回器模型。
[0031]返回器上携带多种有效载荷，模型十分复杂，涉及到的几何尺寸繁多。所以在进行参数化仿真之前，本发明首先对返回器的物理模型进行简化:返回器软着陆动力学响应分析的根本目的是为了得到返回器上有效载荷的力学环境，从而制定着陆阶段的振动试验条件。而有效载荷的力学环境一般由冲击响应谱衡量，因此需要得到的物理量是有效载荷大梁(即其在大梁上的安装位置)处的加速度响应。考虑到有效载荷(返回器大梁上的仪器、返回器大底上的矢量发动机以及返回器前端的采样土壤等)的质量较小，可以忽略它对返回器加速度的影响。
[0032]因此，可以仅对返回器的主承力结构建模，包括返回器前端、返回器侧壁、返回器大梁和返回器大底。将有效载荷的质量均匀分布到邻近的侧壁和大梁结构上。由于返回器的主承力板壳结构全部由合金材料或复合材料夹层制成且壁厚远远小于板长，所以返回器可以视为一个纯弹性的壳体结构。
[0033]返回器大底由于直接与地面接触、有较大的塑性变形，只用壳材料无法反映实际中对返回器大底结构局部强化，因此在返回器大底壳结构外，建立返回器大底的加强梁模型，通过设定返回器大底加强梁与返回器大底的连接来模拟实际返回器大底。对于加强梁采用三维实体建模，而采用二维建模并附加截面性质的方法。返回器大梁实际中为梁结构，应采用二维模型。但是由于结构复杂，也采用三维实体建模的方式来反映梁结构，大梁的截面通过几何结构来表现。
[0034]步骤2:提取返回器各组件(包括返回器前端、返回器侧壁、返回器大底)及地球土壤的几何特征尺寸、安装位置和相邻组件间的装配关系。其中返回器大底和返回器侧壁之间为固定连接，返回器侧壁与返回器前端之间为固定连接，返回器大底和地球土壤之间为接触(摩擦系数取0.1)。
[0035]步骤3:提取返回器各梁结构(返回器大梁、返回器侧壁加强梁、返回器大底加强梁)的几何特征尺寸、安装位置和相邻组件间的装配关系。其中返回器大梁与返回器大底为固定连接;返回器侧壁梁为二维梁，不独立建模;返回器大底加强梁与返回器大底为固定连接。返回器大梁主体为工字梁，斜加强梁为L型梁；返回器侧壁加强梁为L型梁；返回器大底加强梁为Ω型梁。
[0036]步骤4:在计算机硬盘上建立工作目录空文件夹，目录全称为A，用于存放仿真用到的所有模型及分析结果。然后在文件夹A下建立空文件夹Material(材料)'container(返回器前端)、side(返回器侧壁)、cross(返回器大梁)、bottom(返回器大底)、bottom_copy (返回器大底加强梁)、Earth(地球土壤)、Assembly(装配体)、Analysis(分析)、0utput(结果)，分别用于存放即将建立的模型材料库文件、返回器前端模型文件、返回器侧壁模型文件、返回器大梁模型文件、返回器大底模型文件、返回器大底加强梁模型文件、地球土壤模型文件、返回器装配体模型文件、