[發明專利]一種航天器火工沖擊源載荷預示方法

在審

• 申請號: 201610115533.3
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105760613A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 趙欣;韓增堯;鄒元杰;丁繼鋒;鄭世貴
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李微微;仇蕾安

技術領域

本發明屬于航天器動力學沖擊響應技術領域，具體涉及一種航天器火工沖擊源載荷預示方法。

背景技術

航天器火工沖擊環境是指航天器上火工品起爆產生的沖擊載荷作用于主承力結構上的響應，這一響應構成了星載設備的沖擊力學環境。航天器火工沖擊力學環境是航天器發射和在軌工作過程中經歷的最為苛刻的力學環境之一，火工品爆炸引起的材料應力波和結構共振響應能夠對含有沖擊敏感元器件的儀器設備造成致命損傷，從而導致航天任務的失敗。

火工沖擊源的定量描述是應用分析模型方法和數值方法進行火工沖擊環境預示的前提，是沖擊響應預示分析模型的計算輸入。航天器火工沖擊過程包含復雜的物理現象，其高頻、瞬時、高峰值的特點，使得爆炸沖擊載荷難以測量；火工品爆炸產生的高溫高壓載荷與火工品結構及復雜連接結構之間的耦合作用使得爆炸沖擊載荷難于計算。因此，火工沖擊載荷的確定一直是航天器火工沖擊力學環境預示中的一個難題。目前對于火工沖擊源的描述方式主要有三種。第一是從能量的觀點出發，設法找到沖擊源所釋放的能量。該方法根據爆炸分離沖擊源的能量相似準則，在所有頻率上的沖擊響應譜按兩個不同火工裝置所釋放的總能量之比換算。第二是以測量的近場沖擊響應加速度作為沖擊載荷加載。加速度加載一般在結構上盡可能臨近火工品的位置安裝加速度計，測量近場結構的加速度響應，以此作為載荷源。但是將加速度響應作為載荷施加，從理論上講并不合理。國內目前的研究表明，采用近場加速度加載進行環境預示的計算效果并不理想。第三是力函數加載。爆炸沖擊在周圍結構中產生的沖擊力載荷是最直接的載荷源。爆炸沖擊產生的力載荷無法直接測量，一種方法是反推法，使用這種方法需要反復進行不同參數、不同波形的試算，多次試算仍難以得到真實的載荷力函數。另一種方法是應用Hydrocodes等流固耦合計算程序模擬火工品爆炸的過程，得到火工沖擊力函數，但是由于航天器結構的復雜性和爆炸源與航天器結構的耦合作用，火工品爆炸在航天器結構上作用的力函數能否通過數值計算得到近似解，以及如何應用Hydrocodes進行航天器振源結構的分解、有效建模和力函數提取等都是沒有解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種航天器火工沖擊源載荷預示方法，通過對航天器火工沖擊源的建模和分析，解決航天器火工沖擊力學環境預示中沖擊載荷無法確定的問題。

一種航天器火工沖擊源載荷預示方法，所述航天器的結構包括振源系統結構及航天器主結構，振源系統結構包括火工品結構和連接結構，所述火工品結構通過連接結構安裝在所述航天器主結構上，火工品結構爆炸時的研究對象為振源系統結構及航天器主結構中的近場結構；所述方法包括如下步驟：

步驟一、確定航天器的分離面：所述連接結構的級數用n表示，火工品結構爆炸后，其中前x級隨同火工品結構爆炸從航天器主結構中分離，余下的n-x級保留在航天器主結構中，則第x級與第x+1級之間的界面即為分離面；其中x的取值范圍為1到n；

步驟二、對所述振源系統結構和近場結構進行有限元建模，具體為：

S1、建立振源系統結構和近場結構的有限元網格模型；

S2、根據載荷加載后各個結構體所表現出來的材料性質和變形程度，對振源系統結構和近場結構中的各個結構體定義材料本構模型；

S3、根據振源系統結構和近場結構中的各個結構體的材料屬性，對結構體定義單元算法；

S4、對振源系統結構和近場結構有限元模型定義符合實際的外載荷及邊界約束；

S5、對振源系統結構和近場結構中的各個結構體的接觸面定義接觸算法；

步驟三、采用Hydrocodes程序求解步驟二建立的有限元模型，在所述分離面處提取力函數，實現對火工沖擊源載荷的預示。

本發明具有如下有益效果：

本發明能夠模擬火工品中炸藥爆炸、火工品斷裂以及爆炸應力波傳播的細節，能夠很好地處理火工品爆炸在結構上引起的耦合作用，從而分析振源特性，對振源力函數進行有效提取，從理論上講是得到火工沖擊振源函數的合理途徑。該方法為航天器火工沖擊源函數的確定提出了一種可行的途徑，為從工程上解決航天器火工沖擊的響應預示問題奠定了基礎。

附圖說明

圖1為本發明的系統結構示意圖；

圖2為本發明的分離面選取示意圖；

圖3為本發明的點式分離火工沖擊源分析模型系統劃分；

圖4(a)為本發明的“振源系統—近場結構”一體化計算幾何模型；圖4(b)

為圖4(a)的網格模型；