[发明专利]一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法

说明书

本发明公开的一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：定义火箭坐标系，根据模型材料表建立模型材料库，根据模型数据表建立芯级和助推器结构部段的集中质量‑梁或集中质量‑壳有限元模型，在芯级有限元模型基础上建立有效载荷的集中质量‑梁模型，通过建立捆绑连接结构的有限元模型，将包括有效载荷模型在内的芯级有限元模型和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，通过建立芯级和助推器各发动机质心位置和推力作用点模型，实现运载火箭结构有限元模型参数化建模。本发明有助于火箭结构的快速设计和结构参数的优化设计，进而解决火箭动力学领域相关技术问题。

技术领域

本发明涉及运载火箭结构有限元模型的参数化建立方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

运载火箭是包括我国在内的世界上所有航天国家发展航天技术的最重要的基础运载工具。对运载火箭结构特性的分析是其研制过程中的关键环节之一。随着运载火箭结构系统向着多样化、大型化、复杂化方向发展，对结构系统的动响应和动特性的分析已成为研制过程中不可或缺的部分。

建立运载火箭的结构动力学有限元模型是对其进行结构动响应和动特性分析的基础和前提，而传统的建模方式由于费时费力、效率低下等缺点已逐渐不能满足要求，如何高效可靠地建立运载火箭结构动力学分析模型成为人们愈发关注的关键技术之一。采用参数化的建模方法，根据以一定规范格式给出的参数快速地建立运载火箭的结构有限元模型，是解决上述问题的常用手段。虽然随着运载火箭技术向着大运载能力方向发展，世界各国的运载火箭大都采用芯级捆绑连接助推器的并联形式，但是由于运载火箭类型各异，采用参数化的方法通用地建立其结构有限元模型存在着固有的复杂性和困难性。建模所需的所有信息需要以特定的格式给出。在建模过程中，运载火箭芯级的级数，助推器的数量，捆绑连接的数量、位置及形式，有效载荷的位置及形式，各级发动机的数量、位置以及分布形式等因素都需考虑在内。但是从另一方面讲，如果克服了以上种种因素带来的困难，这项工作所带来的益处也是巨大的。采用参数化建模方法可以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了便利。

之前，受理专利“固体捆绑火箭捆绑位置的参数化判定方法”(专利申请号201610343825.2)提出了一种基于PCL语言的捆绑火箭集中质量-梁有限元模型捆绑位置的参数化建模方法。该方法对捆绑位置实现参数化，但无法对整个火箭结构实现参数化建模。同时，火箭结构有限元模型常在捆绑连接处建立壳单元，该方法仅采用集中质量-梁建模方式，无法对部分结构进行较为精确地建模。

发明内容

为了解决对运载火箭结构进行有限元仿真分析时手动建立模型费时费力、效率低下的问题。本发明公开的一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法要解决的技术问题是：能够自动生成火箭芯级和助推器各舱段的梁或壳有限元模型，适应两种典型捆绑连接形式自动生成捆绑结构有限元模型，自动生成各发动机质心位置和推力作用点模型并与对接面固连，自动生成有效载荷集中质量-梁模型，即实现运载火箭结构有限元模型参数化建模。本发明能够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，进而解决运载火箭动力学领域相关技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种运载火箭结构有限元模型参数化建模方法，首先定义火箭坐标系，然后根据模型材料表建立模型材料库，根据模型数据表建立芯级和助推器结构部段的集中质量-梁或集中质量-壳有限元模型，并在芯级有限元模型基础上建立有效载荷的集中质量-梁模型，再通过建立捆绑连接结构的有限元模型，将包括有效载荷模型在内的芯级有限元模型和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，最后通过建立芯级和助推器各发动机质心位置和推力作用点模型，实现运载火箭结构有限元模型参数化建模。