[发明专利]一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法

权利要求书

1.一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：定义“I-II-III-IV”火箭坐标系；

步骤2：建立模型材料库；

步骤3：建立芯级结构部段的集中质量-梁或集中质量-壳有限元模型；

步骤3具体实现方法为，

划分芯级结构为多个模块，芯级结构的多个模块包括整流罩、载荷分支、一级火箭舱段、二级火箭舱段、……、n级火箭舱段；对划分后的单个模块分别建立如表2所示的模型数据表，表2的表头需满足如表2所示的格式，并读入如表2所示的模型数据表的模型数据；每个模块的表头格式都需满足如表2所示的格式；单个模块模型的建模方法如下：

首先，根据模型数据表中的至理论顶点距离x坐标，以GRID卡片格式建立芯级各模块各部段的起始两个中心节点；然后，判断模型数据表中各部段对应标识符B/S，所述B代表此部段建立梁模型，S代表此部段建立壳模型；若标识符为B：根据模型数据表中的信息得出材料编号、“TUBE”形截面的外径和内径，通过写PBARL卡片定义此段梁的属性，再结合中心节点编号写CBAR卡片建立此段梁模型；若标识符为S：根据输入数据确定此部段建立几圈节点和每圈上建立几个节点，建立所有壳单元节点后，根据模型数据表中的材料信息、厚度信息，通过写PSHELL卡片定义此段壳的属性，然后结合壳单元节点编号写CQUAD4卡片建立壳单元，再建立壳单元节点和中心节点的多点约束MPC连接；最后，根据模型数据表中的质量、半径信息以CONM2卡片写中心节点的集中质量和绕x轴的转动惯量；

所述的各个模块模型之间按实际连接位置采用多点约束MPC单元进行固连；至此，完成建立芯级结构部段的集中质量-梁有限元模型或集中质量-壳有限元模型；

表2

步骤4：建立有效载荷的集中质量-梁模型；

步骤4具体实现方法为，

建立有效载荷的集中质量-梁模型满足输入的有效载荷横向基频；

悬臂梁质量集中在端点，其等效刚度为3EI/L³，其中：E为弹性模量、I为截面惯性矩、L为悬臂梁的长度；由此得频率为其中M为梁的集中质量；建立实心梁，外径取与有效载荷对接面外径相同，计算得截面惯性矩I；根据输入的质心位置距有效载荷对接面距离，得出梁的长度L；根据输入数据得集中质量M，调整杨氏模量E的大小使建立的质量-梁模型一阶频率满足输入的横向基频；由此得建立有效载荷集中质量-梁模型的材料弹性模量；

根据得出的弹性模量，以MAT1卡片格式写有效载荷集中质量-梁模型的材料；然后，以GRID、PBARL、CBAR卡片格式写有效载荷的梁单元模型；最后，根据输入数据以CONM2卡片格式写集中质量和节点绕主轴的三个转动惯量；至此，即完成建立有效载荷的集中质量-梁模型；

步骤5：在步骤3建立的模型中芯级有效载荷对接面上，按照步骤4建立有效载荷的集中质量-梁模型，实现有效载荷模型和芯级结构模型的连接，即建立包括有效载荷模型在内的芯级有限元模型；

步骤6：建立助推器结构部段的集中质量-梁或集中质量-壳有限元模型；

步骤7：通过建立捆绑连接结构有限元模型，将步骤5建立的包括有效载荷模型在内的芯级有限元模型和步骤6建立的助推器结构有限元模型相连接，实现建立不包括发动机在内的火箭结构有限元模型；

步骤8：在步骤7建立火箭结构有限元模型的基础上，建立芯级和助推器各发动机质心位置和推力作用点模型，即实现运载火箭结构有限元模型参数化建模。

2.如权利要求1所述的一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法，其特征在于：还包括步骤9，将步骤1至步骤8实现的运载火箭结构有限元模型参数化建模方法，应用于火箭结构动力学领域，通过运载火箭结构有限元模型参数化建模，避免建立结构有限元模型过程中的大量重复操作，有效提高运载火箭动力学仿真与分析的效率，不仅对运载火箭结构的快速设计具有重要指导意义，同时也为火箭结构参数的优化设计提供便利，进而解决运载火箭结构动力学领域相关技术问题。