[发明专利]基于数值仿真的卫星防护结构弹道极限自动获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星关键部位的防护结构，具体涉及一种基于数值仿真的卫星防护结构弹道极限自动获取方法。

背景技术

为了抵御空间碎片对卫星的撞击，需要为卫星的关键部位设计并安装防护结构。空间碎片击中卫星防护结构会产生“穿透”与“未穿透”两种结果，而这两种状态的临界点就称为弹道极限。弹道极限是评估防护结构防护能力的最重要的指标。

工程上常用弹道极限曲线和弹道极限方程来刻画一种防护结构的防护能力。弹道极限曲线是指极限穿透下的碎片直径和撞击速度之间的关系曲线。而弹道极限方程是针对特定类型的防护结构又引入了其它参考变量，比如：防护板厚度、防护板间距等，通过数值拟合获得的方程。

空间碎片撞击卫星防护结构的过程在力学上被界定为超高速碰撞问题。针对这种问题开展地面试验研究是非常昂贵的。目前超高速碰撞数值仿真使用最广的数值算法是SPH（Smoothed Particle Dynamics，光滑粒子流体动力学）。LS-dyna是目前世界上使用最广的冲击动力学仿真软件之一。利用LS-dyna并结合前后处理器LS-prepost，用户可以建立空间碎片和卫星防护结构的SPH模型，并对碎片撞击防护结构的破碎过程进行SPH仿真计算。LS-dyna的仿真计算需要用户对撞击问题进行具体准确地描述，包括弹丸直径、撞击速度、防护结构具体布局、各部位尺寸和间距等。只有将这些和撞击条件相关的参数全部定义清楚之后才能进行撞击过程的仿真计算。

无论是弹道极限曲线还是弹道极限方程，其基础都是弹道极限点。有了极限点后通过绘图和拟合就能获得曲线和方程。在防护结构的几何尺寸和布局参数全都固定，碎片的撞击速度也固定的条件下，单一的变化碎片直径会获得“穿透”和“未穿透”两种结果。当撞击结果正好处于两者的临界状态时，此时就获得了极限状态下的一组参数组合，包括空间碎片直径和撞击速度等，称为一个极限点。由于空间碎片直径是最后一个被确定下来的量，它也被称为弹道极限直径。弹道极限直径就是指，空间碎片撞击防护结构处于临界点状态时候的空间碎片的直径。

然而通过现有LS-dyna的使用可知，数值仿真软件只能在全部参数都确定下的情况下才能计算，也包含碎片直径。因此现有数值仿真软件只能进行一个特定撞击过程的分析，而无法进行极限点分析。极限点的获取就需要人工建立多种碎片直径下的撞击模型，进行多个仿真计算，并通过一定策略人工寻找极限点。

另外由于人工进行分析时，每次对极限点的判断带有主观性，多次判断之间无法保证标准的客观性，因此分析得到的结论中含有人为误差，这降低了弹道极限分析结果的可信度。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前人工分析获得卫星防护结构弹道极限，分析周期长，分析成本高，且还有人为误差的问题，提出一种基于数值仿真的卫星防护结构弹道极限自动获取方法。

本发明提供的一种基于数值仿真的卫星防护结构弹道极限自动获取方法，首先由用户建立工作目录和防护结构模型k文件，并将撞击仿真头文件和防护结构模型k文件拷入工作目录下，然后填写弹道极限自动获取配置文件，开始通过以下步骤进行弹道极限自动获取：

步骤一、自动建模：伺服程序根据当前要创建的仿真模型的关键参数和配置，生成建模脚本，之后调用前处理软件以后台批处理方式读取生成的建模脚本并执行建模操作，最后整理输出仿真模型k文件。所述的关键参数和配置包括：所要建立的空间碎片和防护结构的几何模型以及其物理特性，撞击条件和约束条件，仿真配置信息。所述的空间碎片采用弹丸模型。

步骤二、自动仿真计算：直接在DOS下以批处理方式启动LS-dyna求解器并以命令方式输入配置选项，对仿真模型k文件进行计算，并根据仿真模型k文件中的配置，以固定的时间间隔输出d3plot结果文件。

步骤三、自动仿真结果提取：伺服程序调用后处理软件以后台批处理方式读取d3plot结果文件，得到d3plot结果文件中的结果数据。所述的前处理软件和后处理软件都带有命令模式与后台批处理模式。

步骤四、自动仿真终止判断：对步骤三得到的结果数据进行判断，看结果是否稳定，如果结果稳定结束当前仿真，继续执行步骤五；如果结果还不稳定则继承该结果，通过LS-dyna求解器的重启动技术转步骤二执行。

步骤五、自动极限状态判断：读取当前步骤三得到的结果数据，以图形显示撞击过程和当前状态，如果空间碎片临界穿透防护结构，则直接获得极限点，转步骤七执行，否则继续执行步骤六。