[發(fā)明專利]一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理場(chǎng)耦合分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510243799.1
• 申請(qǐng)日: 2015-05-13
• 公開（公告）號(hào): CN104820753B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李連升;梅志武;呂政欣;鄧樓樓;莫亞男
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心11009
• 代理人: 范曉毅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理場(chǎng)耦合分析方法。

背景技術(shù)

隨著軍事需求的驅(qū)動(dòng)、資源探測(cè)和科學(xué)探索的需要，X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)得到了飛速發(fā)展。X射線脈沖星導(dǎo)航儀作為該領(lǐng)域的核心載荷，其空間分辨率、時(shí)間分辨率、導(dǎo)航精度等性能指標(biāo)不斷提高，導(dǎo)航儀性能要求的提升也決定了對(duì)整個(gè)裝置的光學(xué)系統(tǒng)與支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度和尺寸提出了更為苛刻的要求。與此同時(shí)，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對(duì)X射線脈沖星導(dǎo)航儀的輕量化程度要求卻持續(xù)增長(zhǎng)。而X射線脈沖星導(dǎo)航儀的設(shè)計(jì)涉及到光、機(jī)、熱多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)多學(xué)科相互作用，綜合權(quán)衡的過程。

然而，在早期的串行設(shè)計(jì)中,各領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員不能全面考慮各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互影響，由于缺乏設(shè)計(jì)空間儀器的經(jīng)驗(yàn),為保證其正常工作,通常對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)采用較大的安全裕量，試制工程樣機(jī)后,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判斷設(shè)計(jì)的合理性并對(duì)某些結(jié)構(gòu)形式或參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、修改,使其最終達(dá)到總體技術(shù)指標(biāo)的要求這種設(shè)計(jì)方法不僅工作量大，代價(jià)高，周期長(zhǎng)，而且設(shè)計(jì)結(jié)果很難達(dá)到最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在與克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理耦合分析方法，該方法基于有限元法建立熱-結(jié)構(gòu)耦合方程，實(shí)現(xiàn)了X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的耦合分析，解決了傳統(tǒng)的單一學(xué)科分析，不考慮其他學(xué)科的耦合影響而帶來的過于保守的復(fù)雜產(chǎn)品耦合分析問題。

本發(fā)明的上述目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理場(chǎng)耦合分析方法，包括以下步驟：

(1)、根據(jù)設(shè)定的X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的性能指標(biāo)參數(shù)，確定X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的幾何參數(shù)，所述幾何參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)的焦距f、光學(xué)鏡頭前端外孔徑D_outer和內(nèi)孔徑D_inner；

(2)、根據(jù)步驟(1)確定的X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的幾何參數(shù)，建立所述裝置的三維數(shù)學(xué)模型；然后通過如下方法建立與三維數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的有限元分析模型：將所述三維數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，設(shè)置所述裝置部件的材料、熱膨脹系數(shù)、泊松比、彈性模量和剛性模量；然后在所述模型上劃分網(wǎng)格，將整個(gè)三維模型劃分為Q個(gè)節(jié)點(diǎn)；其中，Q為正整數(shù)；

(3)、在步驟(2)建立的有限元分析模型中設(shè)置形變量提取點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：在光學(xué)鏡頭的內(nèi)表面上，沿著鏡頭的軸線方向設(shè)置N條曲線，并在每條曲線上設(shè)置M個(gè)點(diǎn)，即得到MN個(gè)形變量提取點(diǎn)；其中，M、N均為正整數(shù)；

(4)、在所述有限元分析模型上施加設(shè)定的熱源激勵(lì)和外力激勵(lì)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)-熱耦合分析方程計(jì)算得到MN個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量；

(5)、根據(jù)步驟(4)計(jì)算得到的形變量，確定MN個(gè)形變量提取點(diǎn)的新坐標(biāo)位置，并對(duì)所述MN個(gè)新位置點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到形變后的光學(xué)鏡頭內(nèi)表面。

上述的用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理場(chǎng)耦合分析方法，在步驟(1)中，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)焦距f、光學(xué)鏡頭前端外孔徑D_outer和內(nèi)孔徑D_inner的具體計(jì)算公式如下：

D_outer＝2f·tan(α)；

其中，ω、R_E、L和α為設(shè)定的X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的性能指標(biāo)參數(shù)，具體為：ω為設(shè)定的光學(xué)系統(tǒng)半視場(chǎng)角，R_E為探測(cè)器有效半徑；α＝2θ_max，θ_max為設(shè)定的光子最大掠入射角；L為設(shè)定的光學(xué)鏡頭長(zhǎng)度。

上述的用于X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的多物理場(chǎng)耦合分析方法，在步驟(4)中，MN個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量計(jì)算過程如下：

(4a)、在光學(xué)鏡頭上建立圓柱坐標(biāo)系，其中，圓柱坐標(biāo)系的軸向與光學(xué)鏡頭的中心軸線方向一致；在所述圓柱坐標(biāo)系中，第m個(gè)形變量提取點(diǎn)的軸向坐標(biāo)、徑向坐標(biāo)和角度坐標(biāo)分別為：z_m、r_m、θ_m，其中，m＝1，2，…，MN；