火工冲击源的模拟计算及分析方法技术

本发明专利技术的实施例公开了一种火工冲击源的模拟计算及分析方法。其中，模拟计算方法包括：建立所述火工冲击源的有限元模型；在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；对所述有限元模型施加预应力，引爆所述火工冲击源中的炸药；分析所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整各部件之间的所述接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。所述流动过程和所述解锁过程正确。所述流动过程和所述解锁过程正确。

【技术实现步骤摘要】
火工冲击源的模拟计算及分析方法


[0001]本专利技术的实施例涉及
，具体涉及一种火工冲击源的模拟计算及分析方法。

技术介绍

[0002]在航天飞行器中，火工分离装置常用于实现航天器与运载火箭之间的连接和分离，例如，通过分离螺母、爆炸螺栓、包带、膨胀管等火工分离装置来实现星箭分离、组合件分离、级间分离等任务。在分离过程中，火工分离装置内部的炸药爆炸会产生瞬时、高频和高量级的冲击载荷，易对航天飞行器中的精密元器件造成损伤。对火工爆炸冲击进行模拟计算，可以为航天器结构的设计和布局提供参考。
[0003]然而，火工爆炸冲击是一个复杂的非线性流固耦合过程，爆炸冲击波作用于火工分离装置外壳上的应力及其作用在周围结构上的冲击载荷，从理论上难以得到解析模型。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术的第一个方面，提供了一种火工冲击源的模拟计算方法，包括：建立所述火工冲击源的有限元模型；在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；对所述有限元模型施加预应力，引爆所述火工冲击源中的炸药；分析所述火工冲击源分离过程中爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述各部件之间的相互接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。
[0005]根据本专利技术的第二个方面，提供了一种火工冲击响应谱的修正方法，包括：基于火工冲击源的有限元模型，获取冲击响应谱；其中，所述有限元模型根据如上述实施方式中任一项所述的模拟计算方法建立；将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点；确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率；将所述冲击响应谱在所述第一区间内和所述第一区间外对应的曲线分别修正为第一直线和第二直线，以使所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小，且所述第二区间内的部分所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；根据所述第一直线与第二直线，确定标准化冲击响应谱。
[0006]根据本专利技术的第三个方面，提供了一种火工冲击源的分析方法，包括：建立火工冲击源的几何模型；在所述几何模型中，设置所述火工冲击源的几何参数；对所述几何模型进行有限元网格划分，得到有限元模型；基于所述有限元模型，计算得到与具有所述几何参数的所述火工冲击源对应的力载荷曲线及冲击响应谱。
[0007]根据本专利技术的第四个方面，提供了一种火工冲击源冲击响应谱的预测方法，包括：采用如上述实施方式中任一项所述的分析方法，计算得到具有多个不同几何参数的火工冲
击源对应的力载荷曲线，并获取对应的各冲击响应谱；修正各所述冲击响应谱，得到标准化冲击响应谱；确定各所述标准化冲击响应谱的特征参数；对所述多个不同几何参数对应的多个所述标准化冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系；根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系以及火工冲击源的几何参数，预测所述火工冲击源的冲击响应谱。
附图说明
[0008]通过下文中参照附图对本专利技术的实施例所作的描述，本专利技术的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本专利技术有全面的理解。
[0009]图1是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源的模拟计算方法的流程示意图。
[0010]图2是根据本专利技术一个实施例的分离螺母在初始状态下的结构示意图。
[0011]图3是根据本专利技术一个实施例的分离螺母在分离状态下的结构示意图。
[0012]图4(a)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源总体有限元模型示意图；图4(b)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源起爆端有限元模型；图4(c)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源螺栓有限元模型；图4(d)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源非起爆端有限元模型；图4(e)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源炸药有限元模型；图4(f)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源分瓣螺母有限元模型；图4(g)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源锁紧环有限元模型；图4(h)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源活塞有限元模型；图4(i)是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源空气域有限元模型。
[0013]图5是图4(a)中的有限元模型的另一视角的局部放大图。
[0014]图6是根据本专利技术一个实施例的流固耦合的计算过程示意图。
[0015]图7是根据本专利技术一个实施例的火工冲击源的爆炸冲击的计算求解过程。
[0016]图8是根据本专利技术一个实施例的预应力施加位置的示意图。
[0017]图9是根据本专利技术一个实施例的时程超压曲线图。
[0018]图10(a)、10(b)、10(c)分别是根据本专利技术一个实施例的分离螺母有限元模型在初始位置、解锁位置和分离位置时的示意图。
[0019]图11是根据本专利技术一个实施例的力载荷曲线图。
[0020]图12是图11中所述力载荷曲线对应的冲击响应谱图。
[0021]图13是根据本专利技术一个实施例的标准化冲击响应谱的示意图。
[0022]图14是根据本专利技术一个实施例的分析系统的结构示意图。
[0023]需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
[0024]附图标记说明：
[0025]10、起爆端；20、非起爆端；30、炸药；40、分瓣螺母；50、螺栓；60、锁紧环；70、活塞；80、爆轰气体；90、空气域。
具体实施方式
[0026]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施
例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0027]需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
[0028]图1示出了根据本专利技术一个实施例的火工冲击源的模拟计算方法。如图1所示，在本实施例中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火工冲击源的模拟计算方法，其特征在于，包括：建立所述火工冲击源的有限元模型；在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；对所述有限元模型施加预应力，并引爆所述火工冲击源中的炸药；分析所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述火工冲击源各部件之间的相互接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在建立所述有限元模型后，在所述有限元模型中添加所述火工冲击源的边界条件。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述火工冲击源的流固耦合算法，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述有限元模型施加预应力包括：在所述有限元模型中的连接结构和被连接界面之间设置初始穿透值，以产生初始预应力；逐步调整所述初始穿透值，以调整所述预应力，直至获得预定的预应力值。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：根据不同初始穿透值对应的预应力值，确定所述预应力值与所述初始穿透值之间的变化关系。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述火工冲击源分离过程中爆轰气体的流动过程，包括：分析所述火工冲击源分离过程中流场的气体压力云图、爆轰气体的传播过程、爆轰气体的分布空间。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述火工冲击源的解锁过程，包括：分析所述火工冲击源中各部件的运动位置及运动方向。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定所述火工冲击源有限元模型有效后，获取所述火工冲击响应的力载荷曲线和/或冲击响应谱。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：对所述冲击响应谱进行修正，以获得标准化的冲击响应谱。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述冲击响应谱进行修正包括：将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点；确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率；将所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线修正为斜率为零的第一直线，所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小；将所述冲击响应谱在所述第一区间外对应的曲线修正为第二直线，所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；延长所述第一直线与第二直线使其相交，交点即为所述标准化冲击响应谱的拐点。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二区间的最小频率大于所述冲击响应谱的起始频率；所述方法还包括：以所述冲击响应谱的起始点为起点，确定所述第二直线；在所述第二区间内，确定所述第二直线的斜率，以使所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小。12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，采用最小二乘法来确定所述第一直线和所述第二直线的斜率。13.一种火工冲击响应谱的修正方法，其特征在于，包括：基于火工冲击源的有限元模型，获取冲击响应谱；其中，所述有限元模型根据如权利要求1
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8任一项所述的方法建立；将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦朝烨，胡嘉鑫，刘云飞，高文亮，阎绍泽，褚福磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：