CN104820753B - 一种用于x射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,该方法基于有限元法建立热‑结构耦合方程,提出了X射线光学镜头形变量提取方法和面形拟合方法,实现了X射线脉冲星导航装置的耦合分析,揭示单一物理场位移形变及多物理场耦合形变对导航装置性能的影响规律,解决了传统的单一学科分析,不考虑其他学科的耦合影响而带来的过于保守的复杂产品耦合分析问题;该方法集成直接耦合方程、有限元分析方法、自适应面形提取与拟合方法,实现了X射线脉冲星导航装置整个耦合分析过程的一体化、自动化,实现了各物理场、各分析阶段中多源数据的自动映射与传递,提高了耦合分析的效率。
Description
技术领域
本发明涉及航天器产品设计技术领域,特别涉及一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法。
背景技术
随着军事需求的驱动、资源探测和科学探索的需要,X射线脉冲星导航技术得到了飞速发展。X射线脉冲星导航仪作为该领域的核心载荷,其空间分辨率、时间分辨率、导航精度等性能指标不断提高,导航仪性能要求的提升也决定了对整个装置的光学系统与支撑结构的稳定度和尺寸提出了更为苛刻的要求。与此同时,随着小卫星技术的发展,对X射线脉冲星导航仪的轻量化程度要求却持续增长。而X射线脉冲星导航仪的设计涉及到光、机、热多个学科,是一个多学科相互作用,综合权衡的过程。
然而,在早期的串行设计中,各领域设计人员不能全面考虑各分系统设计参数之间的相互影响,由于缺乏设计空间仪器的经验,为保证其正常工作,通常对设计参数采用较大的安全裕量,试制工程样机后,再根据实验结果来判断设计的合理性并对某些结构形式或参数进行对比、修改,使其最终达到总体技术指标的要求这种设计方法不仅工作量大,代价高,周期长,而且设计结果很难达到最优化。
发明内容
本发明的目的在与克服现有技术的不足,提供了一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理耦合分析方法,该方法基于有限元法建立热-结构耦合方程,实现了X射线脉冲星导航装置的耦合分析,解决了传统的单一学科分析,不考虑其他学科的耦合影响而带来的过于保守的复杂产品耦合分析问题。
本发明的上述目的通过以下的技术方案实现:
一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,包括以下步骤:
(1)、根据设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,确定X射线脉冲星导航装置的几何参数,所述几何参数包括光学系统的焦距f、光学镜头前端外孔径Douter和内孔径Dinner;
(2)、根据步骤(1)确定的X射线脉冲星导航装置的几何参数,建立所述装置的三维数学模型;然后通过如下方法建立与三维数学模型对应的有限元分析模型:将所述三维数学模型导入到有限元分析软件中,设置所述装置部件的材料、热膨胀系数、泊松比、弹性模量和刚性模量;然后在所述模型上划分网格,将整个三维模型划分为Q个节点;其中,Q为正整数;
(3)、在步骤(2)建立的有限元分析模型中设置形变量提取点,具体实现方法如下:在光学镜头的内表面上,沿着镜头的轴线方向设置N条曲线,并在每条曲线上设置M个点,即得到MN个形变量提取点;其中,M、N均为正整数;
(4)、在所述有限元分析模型上施加设定的热源激励和外力激励,并根据结构-热耦合分析方程计算得到MN个形变量提取点的形变量;
(5)、根据步骤(4)计算得到的形变量,确定MN个形变量提取点的新坐标位置,并对所述MN个新位置点进行拟合,得到形变后的光学镜头内表面。
上述的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,在步骤(1)中,计算光学系统焦距f、光学镜头前端外孔径Douter和内孔径Dinner的具体计算公式如下:
Douter=2f·tan(α);
其中,ω、RE、L和α为设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,具体为:ω为设定的光学系统半视场角,RE为探测器有效半径;α=2θmax,θmax为设定的光子最大掠入射角;L为设定的光学镜头长度。
上述的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,在步骤(4)中,MN个形变量提取点的形变量计算过程如下:
(4a)、在光学镜头上建立圆柱坐标系,其中,圆柱坐标系的轴向与光学镜头的中心轴线方向一致;在所述圆柱坐标系中,第m个形变量提取点的轴向坐标、径向坐标和角度坐标分别为:zm、rm、θm,其中,m=1,2,…,MN;
(4b)、在有限元分析模型上施加热源激励和外力激励,通过力学分析得到有限元分析模型中所有节点的应力,从而确定MN个形变量提取点上的正应力和切应力;并通过热学分析得到各节点之间的热传递量,从而确定出MN个形变量提取点的温度变化量;其中,第m个形变量提取点上的正应力包括过轴向正应力σz,m、径向正应力σr,m和角度正应力σθ,m;第m个形变量提取点上的切应力包括径向切应力τrr,m、rθ向切应力τrθ,m和rz向切应力τrz,m;第m个形变量提取点上的温度变化量为ΔTm,m=1,2,…,MN;
(4c)、根据如下的结构-热耦合方程计算得到MN个形变量提取点上的形变量:
εr,m=[2σr,m-2υm(σθ,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εθ,m=[2σθ,m-2υm(σr,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εz,m=[2σz,m-2υm(σr,m+σθ,m)+αmΔTm]/Em;
γrr,m=τrr,m/Gm;
γrθ,m=τrθ,m/Gm;
γrz,m=2τrz,m/Gm;
其中,εz,m、εr,m、εθ,m分别为第m个形变量提取点的轴向正应变量、径向正应变量和角度向正应变量;γrr,m、γrθ,m、γrz,m分别为第m个形变量提取点的径向切应变量、rθ向切应变量和rz向切应变量;υm、αm、Em、Gm分别为第m个形变量提取点的泊松比、热膨胀系数、弹性模量和刚性模量;m=1、2、…、MN。
上述的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,在步骤(5)的拟合过程中,将N个轴向曲线分别进行拟合计算,即分别对每条曲线对应的M个点进行拟合得到1条形变后的轴向曲线,将拟合得到的N条曲线构成形变后的光学镜头内表面。
上述的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,在步骤(5)中,拟合得到光学镜头内表面后,分别计算拟合后的MN个形变量提取点与拟合前的MN个形变量提取点之间的距离,以及拟合前后MN个形变量提取点处的轴向斜率,其中,第m个形变量提取点拟合前后的距离为dm,且拟合前后的轴向斜率分别为rm和Rm,m=1、2、…、MN;如果max(dm)≤Dth且max(|Rm-rm|)≤ΔRth,则判断拟合结果正确,如果max(dm)≤Dth及max(|Rm-rm|)≤ΔRth其中任意一条不满足,则调整拟合公式重新进行拟合计算;其中,Dth为设定的距离判决门限;ΔRth为设定的斜率差判决门限。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)、在本发明的多物理场耦合分析方法中,基于有限元法建立热-结构耦合方程,实现了X射线脉冲星导航装置的耦合分析,解决了传统的单一学科分析,不考虑其他学科的耦合影响而带来的过于保守的复杂产品耦合分析问题;
(2)、在本发明的多物理场耦合分析方法中,集成直接耦合方程、有限元分析方法、自适应面形提取与拟合方法,实现了X射线脉冲星导航装置整个耦合分析过程的一体化、自动化,实现了各物理场、各分析阶段中多源数据的自动映射与传递,提高了耦合分析的效率。
附图说明
图1为本发明用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法的流程图;
图2为本发明中X射线脉冲星导航装置的三维数学模型;
图3为本发明中建立的X射线脉冲星导航装置的有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
本发明对X射线脉冲星导航装置进行多物理场耦合分析,真实反映了光、机、热多个学科间的耦合特性,实现了光、机、热多物理场耦合分析的集成化和自动化,避免了传统设计中由于试凑法导致的新研产品经济性差、研制周期长和性能无法全局最优等缺陷。由于本发明的方法可以进行整机热分析、结构以及热-结构耦合三种分析,可以绘制出整机及装置各部件的应力和形变云图;并且具有整机光学镜头面形形变数据自动提取功能,用于揭示光学镜头内表面的面形变化规律。
如图1所示的分析方法流程图,本发明的用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,包括以下步骤:
(1)、根据设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,确定X射线脉冲星导航装置的几何参数,所述几何参数包括光学系统的焦距f、光学镜头前端外孔径Douter和内孔径Dinner;具体计算公式如下:
Douter=2f·tan(α);
其中,ω、RE、L和α为设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,具体为:ω为设定的光学系统半视场角,RE为探测器有效半径;α=2θmax,θmax为设定的光子最大掠入射角;L为设定的光学镜头长度。
(2)、根据步骤(1)确定的X射线脉冲星导航装置的几何参数,基于计算机辅助设计软件建立所述装置的三维数学模型,如图2所示;然后通过如下方法建立与三维数学模型对应的有限元分析模型,如图3所示:通过计算机辅助设计软件与计算机有限元分析软件的接口,将所述三维数学模型导入到有限元分析软件中,设置所述装置部件的材料、热膨胀系数、泊松比、弹性模量和刚性模量;然后在所述模型上划分网格,将整个三维模型划分为Q个节点;其中,Q为正整数。在工程实现时,为减小光学镜头在深空环境下由于温度变化而引起的形变,光学镜头采用微晶玻璃。同时,考虑到热匹配性,光学镜头支撑结构件采用殷钢,其它整机结构均采用铝合金。
在对以上三维数学模型进行有限元分析之前,需要明确该三维模型中的固定安装部件,并确定该装置对外安装时的对外安装面的面积、以及外部热源激励和外力激励的施加位置,便于后续进行热传递和力传递分析。
(3)、在步骤(2)建立的有限元分析模型中设置形变量提取点,具体实现方法如下:在光学镜头的内表面上,沿着镜头的轴线方向设置N条曲线,并在每条曲线上设置M个点,即得到MN个形变量提取点;其中,M、N均为正整数。
(4)、在所述有限元分析模型上施加设定的热源激励和外力激励,并根据结构-热耦合分析方程计算得到MN个形变量提取点的形变量。其中,根据地面结构学实验条件和发射阶段的结构学冲击情况加载结构学分析工况条件,确定施加的外力激励函数;并根据热空间环境条件,考虑热传递和热辐射两种情况进行稳态热分析,因此热源激励函数包括热传导函数和热辐射函数。
MN个形变量提取点的形变量计算过程如下:
(4a)、在光学镜头上建立圆柱坐标系,其中,圆柱坐标系的轴向与光学镜头的中心轴线方向一致;在所述圆柱坐标系中,第m个形变量提取点的轴向坐标、径向坐标和角度坐标分别为:zm、rm、θm,其中,m=1,2,…,MN;
(4b)、在有限元分析模型上施加热源激励和外力激励,通过力学分析得到有限元分析模型中所有节点的应力,从而确定MN个形变量提取点上的正应力和切应力;并通过热学分析得到各节点之间的热传递量,从而确定出MN个形变量提取点的温度变化量;其中,第m个形变量提取点上的正应力包括过轴向正应力σz,m、径向正应力σr,m和角度正应力σθ,m;第m个形变量提取点上的切应力包括径向切应力τrr,m、rθ向切应力τrθ,m和rz向切应力τrz,m;第m个形变量提取点上的温度变化量为ΔTm,m=1,2,…,MN;
(4c)、根据如下的结构-热耦合方程计算得到MN个形变量提取点上的形变量:
εr,m=[2σr,m-2υm(σθ,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εθ,m=[2σθ,m-2υm(σr,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εz,m=[2σz,m-2υm(σr,m+σθ,m)+αmΔTm]/Em;
γrr,m=τrr,m/Gm;
γrθ,m=τrθ,m/Gm;
γrz,m=2τrz,m/Gm;
其中,εz,m、εr,m、εθ,m分别为第m个形变量提取点的轴向正应变量、径向正应变量和角度向正应变量;γrr,m、γrθ,m、γrz,m分别为第m个形变量提取点的径向切应变量、rθ向切应变量和rz向切应变量;υm、αm、Em、Gm分别为第m个形变量提取点的泊松比、热膨胀系数、弹性模量和刚性模量;m=1、2、…、MN。
(5)、根据步骤(4)计算得到的形变量,确定MN个形变量提取点的新坐标位置,并对所述MN个新位置点进行拟合,得到形变后的光学镜头内表面。
在以上的拟合过程中,将N个轴向曲线分别进行拟合计算,即分别对每条曲线对应的M个点进行拟合得到1条形变后的轴向曲线,将拟合得到的N条曲线构成形变后的光学镜头内表面,这样可以明显降低处理的数据量,而且满足光学镜头的拟合需求,真实反映光学镜头的变形规律。
其中,在拟合得到光学镜头内表面后,通过如下方法确定拟合结果是否满足分析需求:分别计算拟合后的MN个形变量提取点与拟合前的MN个形变量提取点之间的距离,以及拟合前后MN个形变量提取点处的轴向斜率,其中,第m个形变量提取点拟合前后的距离为dm,且拟合前后的轴向斜率分别为rm和Rm,m=1、2、…、MN;如果max(dm)≤Dth且max(|Rm-rm|)≤ΔRth,则判断拟合结果正确,如果max(dm)≤Dth及max(|Rm-rm|)≤ΔRth其中任意一条不满足,则调整拟合公式重新进行拟合计算;其中,Dth为设定的距离判决门限;ΔRth为设定的斜率差判决门限。通过调整Dth和ΔRth来控制拟合的密集程度,在本实施例中设定Dth=0.1mm,设定ΔRth为0.1。
以上所述,仅为本发明一个具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)、根据设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,确定X射线脉冲星导航装置的几何参数,所述几何参数包括光学系统的焦距f、光学镜头前端外孔径Douter和内孔径Dinner;
(2)、根据步骤(1)确定的X射线脉冲星导航装置的几何参数,建立所述装置的三维数学模型;然后通过如下方法建立与三维数学模型对应的有限元分析模型:将所述三维数学模型导入到有限元分析软件中,设置所述装置部件的材料、热膨胀系数、泊松比、弹性模量和刚性模量;然后在所述模型上划分网格,将整个三维模型划分为Q个节点;其中,Q为正整数;
(3)、在步骤(2)建立的有限元分析模型中设置形变量提取点,具体实现方法如下:在光学镜头的内表面上,沿着镜头的轴线方向设置N条曲线,并在每条曲线上设置M个点,即得到MN个形变量提取点;其中,M、N均为正整数;
(4)、在所述有限元分析模型上施加设定的热源激励和外力激励,并根据结构-热耦合分析方程计算得到MN个形变量提取点的形变量;
(5)、根据步骤(4)计算得到的形变量,确定MN个形变量提取点的新坐标位置,并对所述MN个新位置点进行拟合,得到形变后的光学镜头内表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,其特征在于:在步骤(1)中,计算光学系统焦距f、光学镜头前端外孔径Douter和内孔径Dinner的具体计算公式如下:
<mrow>
<mi>f</mi>
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<mi>R</mi>
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<mo>;</mo>
</mrow>
Douter=2f·tan(α);
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mfrac>
<msubsup>
<mi>D</mi>
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<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mi>f</mi>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>-</mo>
<mi>L</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中,ω、RE、L和α为设定的X射线脉冲星导航装置的性能指标参数,具体为:ω为设定的光学系统半视场角,RE为探测器有效半径;α=2θmax,θmax为设定的光子最大掠入射角;L为设定的光学镜头长度。
3.根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,其特征在于:在步骤(4)中,MN个形变量提取点的形变量计算过程如下:
(4a)、在光学镜头上建立圆柱坐标系,其中,圆柱坐标系的轴向与光学镜头的中心轴线方向一致;在所述圆柱坐标系中,第m个形变量提取点的轴向坐标、径向坐标和角度坐标分别为:zm、rm、θm,其中,m=1,2,…,MN;
(4b)、在有限元分析模型上施加热源激励和外力激励,通过力学分析得到有限元分析模型中所有节点的应力,从而确定MN个形变量提取点上的正应力和切应力;并通过热学分析得到各节点之间的热传递量,从而确定出MN个形变量提取点的温度变化量;其中,第m个形变量提取点上的正应力包括过轴向正应力σz,m、径向正应力σr,m和角度正应力σθ,m;第m个形变量提取点上的切应力包括径向切应力τrr,m、rθ向切应力τrθ,m和rz向切应力τrz,m;第m个形变量提取点上的温度变化量为ΔTm,m=1,2,…,MN;
(4c)、根据如下的结构-热耦合方程计算得到MN个形变量提取点上的形变量:
εr,m=[2σr,m-2υm(σθ,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εθ,m=[2σθ,m-2υm(σr,m+σz,m)+αmΔTm]/Em;
εz,m=[2σz,m-2υm(σr,m+σθ,m)+αmΔTm]/Em;
γrr,m=τrr,m/Gm;
γrθ,m=τrθ,m/Gm;
γrz,m=2τrz,m/Gm;
其中,εz,m、εr,m、εθ,m分别为第m个形变量提取点的轴向正应变量、径向正应变量和角度向正应变量;γrr,m、γrθ,m、γrz,m分别为第m个形变量提取点的径向切应变量、rθ向切应变量和rz向切应变量;υm、αm、Em、Gm分别为第m个形变量提取点的泊松比、热膨胀系数、弹性模量和刚性模量;m=1、2、…、MN。
4.根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,其特征在于:在步骤(5)的拟合过程中,将N个轴向曲线分别进行拟合计算,即分别对每条曲线对应的M个点进行拟合得到1条形变后的轴向曲线,将拟合得到的N条曲线构成形变后的光学镜头内表面。
5.根据权利要求1所述的一种用于X射线脉冲星导航装置的多物理场耦合分析方法,其特征在于:在步骤(5)中,拟合得到光学镜头内表面后,分别计算拟合后的MN个形变量提取点与拟合前的MN个形变量提取点之间的距离,以及拟合前后MN个形变量提取点处的轴向斜率,其中,第m个形变量提取点拟合前后的距离为dm,且拟合前后的轴向斜率分别为rm和Rm,m=1、2、…、MN;如果max(dm)≤Dth且max(|Rm-rm|)≤ΔRth,则判断拟合结果正确,如果max(dm)≤Dth及max(|Rm-rm|)≤ΔRth其中任意一条不满足,则调整拟合公式重新进行拟合计算;其中,Dth为设定的距离判决门限;ΔRth为设定的斜率差判决门限。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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