CN105243246A - 基于返回器组件的着陆力学环境分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，属于深空探测技术领域。基于返回器组件的着陆力学环境分析方法：首先，建立返回器软着陆的非线性有限元模型，然后对模型进行非线性有限元求解，得到返回器结构的动力学响应；在得到关心位置处的加速度响应后，采用递归数字滤波方法计算结构加速度响应的冲击谱，用于描述返回器着陆冲击的力学环境；最后采用包络谱的方法得到最大期望环境，用于制定设备的设计和测试条件。本发明可以快速针对不同仿真工况，进行不同工况冲击响应谱包络分析，得到包络后的冲击响应谱，包络曲线可以真实反应返回器有效载荷冲击响应中的最恶劣情况，并据此进行进一步优化。

Description

基于返回器组件的着陆力学环境分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

返回舱着陆地球是载人航天任务的最后阶段，返回舱能否安全着陆是检验航天任务成败的一个重要的标准。返回舱着陆地球是一个严酷的冲击过程，在此过程中将会对航天员以及舱内设备仪器产生很大的冲击载荷，为了保证其安全着陆，需要在初始研制设计阶段对其分析研究。返回舱的安全着陆问题是载人航天任务中的一个重要研究课题，各航天大国在进行载人航天任务时都针对该课题有过很多的研究。从试验验证手段到利用数值仿真方法，对返回舱不同工况下的着陆冲击响应进行仿真分析是研究该课题的发展趋势。

返回舱作为一类航天器，在返回舱的设计和试验过程中的诸多问题，返回舱力学环境预示显得尤为突出。力学环境是检验返回舱结构设计及制定试验条件的重要手段，在初始设计阶段需要对其动力学环境作出预示。基于力学环境预示得到的力学环境条件，是航天器及其设备设计和地面验证试验的主要依据，直接决定着航天器结构和设备的轻重，影响着地面验证试验的有效性。本文采用仿真分析的方法来预测返回器着陆冲击动力学响应，进而制定其力学环境条件。

发明内容

本发明的目的是为解决不能真实反应返回器有效载荷冲击响应的问题，提出一种基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，适用于返回器方案设计阶段。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于返回器组件的着陆力学环境分析方法：首先，建立返回器软着陆的非线性有限元模型，然后对模型进行非线性有限元求解，得到返回器结构的动力学响应；在得到关心位置处的加速度响应后，采用递归数字滤波方法计算结构加速度响应的冲击谱，用于描述返回器着陆冲击的力学环境；最后采用包络谱的方法得到最大期望环境，用于制定设备的设计和测试条件。

基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，具体步骤如下：

步骤1：按照力学环境预示要求进行组件划分。将返回器划分为前端、侧壁、大梁、大底、大底加强梁五个组件。

步骤2：组件的有限元建模。

步骤2.1：提取步骤1中划分出的各组件的几何特征尺寸、组件安装位置和相邻组件间的装配关系；同时提取地球土壤的几何特征尺寸和相邻组件间的装配关系；并将提取的几何特征尺寸储存在以各组件名称命名的配置文件中，将组件安装位置和装配信息储存在装配配置文件中。

步骤2.2：建立返回器组件及地球土壤的有限元模型：根据步骤2.1提取的几何特征尺寸，分别建立顶板、侧板、隔板、底板、贮箱、太阳翼、缓冲腿、足垫和地球土壤的几何模型；根据有限元网格控制信息(网格尺寸、网格类型)，对各个几何模型划分有限元网格。然后依次对各个有限元网格赋予实际各组件和地球土壤结构对应的材料属性，分别建立各组件及地球土壤的有限元模型。

步骤2.3：建立组装体模型：根据步骤2.1提取的各个组件的安装位置和装配关系，将步骤2.2建立的各组件及地球土壤的有限元模型安装到对应位置，然后建立相邻组件间的连接关系，形成组装体模型。

步骤3：建立仿真工况配置文件，将仿真工况信息(包括返回器着陆状态的载荷及边界条件、仿真算法的积分步长和仿真时间)储存在仿真工况配置文件，根据工况数目的不同，建立每个仿真工况的配置文件。

步骤4：建立仿真模型：根据步骤3内仿真工况配置文件内的仿真信息，在步骤2得到的返回器组装体模型上施加载荷和边界条件，选择仿真时间和积分步长，最终建立有限元软件的求解器能识别的输入文件。

步骤5：有限元计算，将步骤4中得到的输入文件提交给有限元软件进行计算，得到仿真结果文件。

步骤6：建立力学环境预示后处理配置文件，将组件名称和需要输出结果的有限元节点编号写入该文件中。

步骤7：有限元结果提取。打开步骤5得到的仿真结果文件，根据步骤6的力学环境预示后处理配置文件提供的输出节点编号及其所在的组件名称，从步骤5得到的仿真结果文件中提取对应节点的加速度响应数据，将数据写入以组件名命名的文本文件并降该文件存储在对应工况的文件夹下。

步骤8：着陆力学环境预示分析，采用加速度的冲击响应谱描述返回器的着陆力学环境。

步骤8.1：建立存储冲击相应谱数据的文件夹，并在该文件夹下建立子文件夹，各子文件夹的名称为步骤1划分的组件所对应的名字。

步骤8.2：采用递归数字滤波算法将步骤5得到的所有工况下的加速度响应数据转换为冲击响应谱，并将相同组件的冲击响应谱数据存储在步骤8.1所建立的以组件名字命名的子文件夹中。

步骤8.3：将步骤8.2得到的同一组件上所有输出节点的冲击响应谱进行包络，该包络即为组件的着陆力学环境预示。

至此实现了一种基于返回器着陆力学环境预示的组件划分仿真方法，解决了返回器着陆力学环境预示建模过程易错、结果文件管理混乱的问题。

步骤5所述仿真结果文件包括有限元节点编号以及对应节点的响应数据。

步骤5所述计算能通过商业有限元软件Abaqus、MSC.Patran、Ansys、HyperWorks中任意一款实现。

有益效果

本发明可以快速针对不同仿真工况，进行不同工况冲击响应谱包络分析，得到包络后的冲击响应谱，包络曲线可以真实反应返回器有效载荷冲击响应中的最恶劣情况，并据此进行进一步优化。

本发明利用返回器的数学模型预示其着陆冲击的力学环境，能够在返回器设计的初始阶段为返回器上的雷达、座椅、天线、矢量发动机、桅杆等众多有效载荷提供设计上的限制条件，不依赖于任何试验数据，节约了产品设计成本。

附图说明

图1为本发明的返回器软着陆冲击力学环境预示方法的流程示意图；

图2为具体实施方式中返回器的装配体有限元模型示意图；

图3为具体实施方式中3种典型工况下返回器大底所有测点加速度冲击响应谱包络谱的再次包络；

具体实施方式

一种基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：按照力学环境预示要求进行组件划分。将返回器划分为返回器前端1、返回器侧壁2、返回器大梁3、返回器大底4、返回器大底加强梁5，如图2所示。

返回器上携带多种有效载荷，模型十分复杂，涉及到的几何尺寸繁多。本发明首先照力学环境预示要求对返回器的物理模型进行简化并进行组件划分：返回器软着陆动力学响应分析的根本目的是为了得到返回器上有效载荷的力学环境，从而制定着陆阶段的振动试验条件。而有效载荷的力学环境一般由冲击响应谱衡量，返回器有效载荷主要集中在大梁上，因此需要得到的物理量是返回器大梁上有效载荷(返回器大梁中不同梁交点)处的加速度响应。

为验证有效载荷在返回器着陆冲击时能否承受力学环境并能正常工作的能力，需要根据有效载荷的不同以及有效载荷的分布特点进行振动试验，这要求对返回器进行组件化分。

按照不同的试验区域，即力学环境的要求将返回器组件划分为：返回器前端、返回器侧壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加强梁。将对应有效载荷的质量均匀分布到相应组件上。

步骤2：组件的有限元建模，包括返回器前端、返回器侧壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加强梁和地球土壤。

步骤2.1：提取各组件(包括返回器前端、返回器侧壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加强梁)几何特征尺寸、组件安装位置和相邻组件间的装配关系以及地球土壤的几何特征尺寸、相邻组件间的装配关系。其中返回器前端和返回器侧壁之间为固定连接，返回器大底和返回器侧壁为固定连接，返回器大底和返回器大底加强梁为固定连接，返回器大底和返回器大梁为固定连接，返回器大底和地球土壤之间为接触(摩擦系数取0.1)。

在计算机硬盘上建立工作目录空文件夹，目录全称为A，用于存放仿真用到的所有模型。然后在文件夹A下建立空文件夹Material(材料)、container(前端)、side(侧壁)、cross(大梁)、bottom(大底)、bottom-copy(大底加强梁)、Earth(地球土壤)Assembly(组装体)、Analysis(分析)、Output(结果)，分别用于存放即将建立的模型材料库文件、各组件模型文件、地球土壤模型文件、返回器组装体模型文件、可用于进行返回器软着陆仿真的模型文件和加速度结果文件。

将提取的组件和地球土壤的几何特征尺寸及有限元网格控制信息分别写入对应的配置文件：container.dat、side.dat、cross.dat、bottom.dat、bottom-copy.dat、Earth.dat。配置文件分别存放在上述对应的文件夹内：container、side、cross.dat、bottom、bottom-copy、Earth。在文件夹Assembly下建立仿真工况配置文件sysassmebly.dat。

步骤2.2：建立返回器组件及地球土壤的有限元模型：

利用商业有限元软件Abaqus建立返回器模型的材料库material.cae，用于保存返回器模型和地球土壤的所有材料。

利用封装的Python程序，将material.cae文件复制到各个组件文件夹(container、side、cross.dat、bottom、bottom-copy)下并更名为container.cae、side.cae、cross.cae、bottom.cae、bottom-copy.cae、Earth.cae作为组件和地球土壤模型文件。然后通过Python程序读取步骤2.1建立的组件和地球土壤模型配置文件，根据配置文件中提供的组件和地球土壤几何特征尺寸和有限元网格控制信息驱动Abaqus软件打开并修改组件和地球土壤模型文件(container.cae、side.cae、cross.cae、bottom.cae、bottom-copy.cae、Earth.cae)，建立各组件和地球土壤的几何模型并对其划分有限元网格，其中前端网格尺寸为40mm，侧壁、大梁、大底和大底加强梁的网格尺寸20mm、地球土壤网格尺寸50mm，前端、侧壁、大梁、大底和大底加强梁采用减缩积分壳单元，地球土壤为实体单元；最后对组件和地球土壤上不同区域赋予实际返回器和地球土壤结构的材料属性。

步骤2.3：建立组装体模型：

根据步骤2.1提取的各个组件的安装位置和装配关系，将步骤2.2建立的各组件安装到对应位置，然后建立相邻组件间的连接关系，形成组装体模型。

利用封装的Python程序驱动Abaqus软件在文件夹assembly下建立空白组装体模型文件assembly.cae并导入步骤2.2中建立好的组件和地球土壤模型(container.cae、side.cae、cross.cae、bottom.cae、bottom-copy.cae、Earth.cae)。读取步骤2.1建立的装配体模型配置文件sysassmebly.dat，根据配置文件中提供的组件安装位置和装配关系，在assembly.cae模型文件中将各组件安装到对应位置并建立相邻组件间的连接关系。最后对返回器进行质量配平，使其质心坐标满足具体设计需要。保存并关闭assembly.cae文件。组装体模型示意图如图2所示。

步骤3：建立(修改)仿真工况配置文件：

在文件夹Analysis下建立(修改)仿真工况配置dat文件，用于存放仿真工况信息。仿真工况信息包括返回器着陆状态的载荷及边界条件、仿真算法的积分步长和仿真时间。

所有工况分别为：

工况1：返回器垂直着陆于水平地面，返回器有初始竖直速度10m/s，建立(修改)仿真工况配置文件analysis_case1.dat。

工况2：返回器以31°倾斜方式着陆于水平地面，返回器有初始竖直速度10m/s，返回器有初始水平速度13m/s，建立(修改)仿真工况配置文件analysis_case2.dat。

步骤4：建立(修改)仿真模型

建立文件夹，分别命名为case1和case2，用于储存两种工况的模型、求解文件。

将步骤2.3建立好的组装体模型文件assembly.cae和仿真模型配置dat文件analysis_case1.dat复制到case1文件夹下。利用封装的Python程序读取仿真模型配置文件analysis_case1.dat提供的仿真工况信息，驱动Abaqus软件打开并修改assembly.cae文件，为返回器施加载荷和边界条件、选择仿真时间和步长，最终建立Abaqus软件的求解器(Standard求解器)可识别的输入文件analysis_case1.inp。保存cae文件并重命名为analysis_case1.cae。

同理，在case2文件夹内进行相同操作，生成输入文件analysis_case2.inp和模型文件analysis_case2.cae。

步骤5：有限元计算，利用封装的Python程序将步骤4中得到的输入文件analysis_case1.inp和analysis_case2.inp分别提交给Abaqus进行计算，得到仿真结果odb文件。

步骤6：建立力学环境预示后处理配置文件

在文件夹Output下建立力学环境预示后处理配置文件result.dat，用于存放需要输出结果的节点所在的组件名称和有限元节点编号。

步骤7：有限元结果提取

利用封装的Python程序读取步骤6建立的result.dat文件，驱动Abaqus软件打开仿真结果文件analysisi.odb并根据result.dat文件提供的有限元节点编号提取对应节点的响应数据。然后通过Python程序关闭analysisi.odb文件，将响应数据文本文件保存在文件夹Output中。

步骤8：着陆力学环境预示分析

步骤8.1：在文件夹A中建立存储冲击相应谱数据的文件夹SRS，并在该文件夹下建立子文件夹，各子文件夹的名称为步骤1划分的组件所对应的名字，得到子文件夹container、side、cross、bottom、bottom-copy、Earth。

步骤8.2：使用递归数字滤波算法将步骤7得到的所有输出节点的加速度响应数据转换为冲击响应谱，并将冲击响应谱数据按组件不同分别存储在步骤8.1建立的子文件夹container、side、cross、bottom、bottom-copy、Earth中。

步骤8.3：将步骤8.2各子文件夹(container、side、cross、bottom、bottom-copy、Earth)下的冲击响应谱进行包络，分别得到返回器前端、返回器侧壁、返回器大梁、返回器大底、返回器大底加强梁各组件的冲击响应谱包络，这些冲击响应谱包络分别预示各组件的着陆力学环境。如图3所示，为三种工况下顶板处加速度冲击响应谱包络谱。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于返回器组件的着陆力学环境分析方法：其特征在于：步骤为：首先，建立返回器软着陆的非线性有限元模型，然后对模型进行非线性有限元求解，得到返回器结构的动力学响应；在得到关心位置处的加速度响应后，采用递归数字滤波方法计算结构加速度响应的冲击谱，用于描述返回器着陆冲击的力学环境；最后采用包络谱的方法得到最大期望环境，用于制定设备的设计和测试条件。

2.基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：按照力学环境预示要求进行组件划分；将返回器划分为前端、侧壁、大梁、大底、大底加强梁五个组件；

步骤2：组件的有限元建模；

步骤2.1：提取步骤1中划分出的各组件的几何特征尺寸、组件安装位置和相邻组件间的装配关系；同时提取地球土壤的几何特征尺寸和相邻组件间的装配关系；并将提取的几何特征尺寸储存在以各组件名称命名的配置文件中，将组件安装位置和装配信息储存在装配配置文件中；

步骤2.2：建立返回器组件及地球土壤的有限元模型：根据步骤2.1提取的几何特征尺寸，分别建立顶板、侧板、隔板、底板、贮箱、太阳翼、缓冲腿、足垫和地球土壤的几何模型；根据有限元网格控制信息(网格尺寸、网格类型)，对各个几何模型划分有限元网格；然后依次对各个有限元网格赋予实际各组件和地球土壤结构对应的材料属性，分别建立各组件及地球土壤的有限元模型；

步骤2.3：建立组装体模型：根据步骤2.1提取的各个组件的安装位置和装配关系，将步骤2.2建立的各组件及地球土壤的有限元模型安装到对应位置，然后建立相邻组件间的连接关系，形成组装体模型；

步骤3：建立仿真工况配置文件，将仿真工况信息(包括返回器着陆状态的载荷及边界条件、仿真算法的积分步长和仿真时间)储存在仿真工况配置文件，根据工况数目的不同，建立每个仿真工况的配置文件；

步骤4：建立仿真模型：根据步骤3内仿真工况配置文件内的仿真信息，在步骤2得到的返回器组装体模型上施加载荷和边界条件，选择仿真时间和积分步长，最终建立有限元软件的求解器能识别的输入文件；

步骤5：有限元计算，将步骤4中得到的输入文件提交给有限元软件进行计算，得到仿真结果文件；

步骤6：建立力学环境预示后处理配置文件，将组件名称和需要输出结果的有限元节点编号写入该文件中；

步骤7：有限元结果提取；打开步骤5得到的仿真结果文件，根据步骤6的力学环境预示后处理配置文件提供的输出节点编号及其所在的组件名称，从步骤5得到的仿真结果文件中提取对应节点的加速度响应数据，将数据写入以组件名命名的文本文件并降该文件存储在对应工况的文件夹下；

步骤8：着陆力学环境预示分析，采用加速度的冲击响应谱描述返回器的着陆力学环境；

步骤8.1：建立存储冲击相应谱数据的文件夹，并在该文件夹下建立子文件夹，各子文件夹的名称为步骤1划分的组件所对应的名字；

步骤8.2：采用递归数字滤波算法将步骤5得到的所有工况下的加速度响应数据转换为冲击响应谱，并将相同组件的冲击响应谱数据存储在步骤8.1所建立的以组件名字命名的子文件夹中；

步骤8.3：将步骤8.2得到的同一组件上所有输出节点的冲击响应谱进行包络，该包络即为组件的着陆力学环境预示。

3.如权利要求2所述的基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，其特征在于：步骤5所述仿真结果文件包括有限元节点编号以及对应节点的响应数据。

4.如权利要求2所述的基于返回器组件的着陆力学环境分析方法，其特征在于：步骤5所述计算能通过商业有限元软件Abaqus、MSC.Patran、Ansys、HyperWorks中任意一款实现。