CN105468824A - 基于月球上升器组件的参数化仿真方法 - Google Patents
基于月球上升器组件的参数化仿真方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于月球上升器组件的参数化仿真方法，属于深空探测技术领域。为了解决现有技术在上升器动力学分析中的设计效率低的问题，本发明提供一种基于月球上升器组件的参数化仿真方法。该方法集有限元建模、求解计算及结果后处理于一体，能够生成上升器各组件(包括上升器和上升器贮箱)的有限元网格模型并自动完成装配、工况设定、求解计算和结果提取。本发明实现了上升器动力学参数化模型的自动化建立，避免了上升器的有限元建模过程中改变某一个特征尺寸引起的网格重划分和组件连接关系重设定给设计人员带来的重复劳动。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于月球上升器组件的参数化仿真方法，属于深空探测技术领域。
背景技术
我国在发展地球应用卫星和载人航天之后，与时俱进，适时开展以月球探测为主的深空探测活动，是航天活动的必然选择，对我国科技事业的发展和月球权益的维护具有重要的战略意义。依据我国探月工程总体规划，我国实施探月工程设想分为“绕、落、回”三个阶段。在第三阶段，上升器将承载将样品安全运回地球的任务，对探月任务至关重要。
考虑了更多的力学因素，上升器有限元模型的建立过程十分复杂，构型的任何微小变化都会带来网格划分和连接设置上的重复操作，对于上升器这种大型的航天器结构来说，建模上大量的重复操作既繁琐又易出错，严重影响设计效率。
之前，专利CN103678824A针对月球探测器提出了参数化仿真的方法，但是上升器建模中大量进行复杂梁结构设计，同时应用复合层板，有多个材料层，对此现有专利没有进行过细致分析。
发明内容
为了解决现有技术在上升器动力学分析中的设计效率低的问题，本发明提供一种基于月球上升器组件的参数化仿真方法。该方法集有限元建模、求解计算及结果后处理于一体，能够生成上升器各组件(包括上升器和上升器贮箱)的有限元网格模型并自动完成装配、工况设定、求解计算和结果提取。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于月球上升器组件的参数化仿真方法，具体步骤如下：
步骤1：提取上升器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。上升器组件包括上升器和上升器贮箱；
步骤2：提取上升器的梁结构和支架的几何特征尺寸(安装方向、截面形状)、组件安装位置和相邻组件间的装配关系。上升器的梁结构由上升器开口圆梁、上升器底板加强梁、上升器底板斜梁组成。
步骤3：提取上升器复合层板(上升器顶板、上升器底板、上升器十字隔板和上升器侧板)的材料属性(材料、厚度、纤维方向)。
步骤4：建立上升器组件的模型配置文件，每个配置文件中存放步骤1提取的上升器、上升器贮箱和支架的几何特征尺寸，以及它们各自的有限元网格控制信息(包括网格大小和网格类型)。
步骤5：建立上升器的梁结构和支架配置文件，每个配置文件中存放步骤2提取的上升器开口圆梁、上升器底板加强梁、上升器底板斜梁、支架的几何特征尺寸。
步骤6：建立上升器复合层板材料配置文件，每个配置文件中存放步骤3提取的上升器顶板、上升器底板、上升器十字隔板和上升器侧板的材料属性，以及它们各自的有限元网格控制信息(包括网格大小和网格类型)。
步骤7：建立上升器组件的有限元模型：根据步骤2建立的配置文件中的几何特征尺寸及有限元网格控制信息，分别建立上升器、上升器贮箱和支架的几何模型，并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上升器、上升器贮箱和支架结构对应的材料属性。
步骤8：建立上升器的梁结构和支架的几何模型：根据步骤5建立的配置文件中的几何特征尺寸及有限元网格控制信息，分别修改上升器和支架的几何模型。
步骤9：根据步骤6建立的配置文件中的材料属性及有限元网格控制信息对上升器组件的复合层板赋予实际的复合材料属性。
步骤10：建立上升器各组件的装配体模型配置文件，用于存放步骤1提取到的各个组件的安装位置和相邻组件间的装配关系。
步骤11：建立参数化装配体模型：根据步骤10建立的装配体配置文件中提供的各个组件的安装位置和装配关系，建立全局坐标系并将步骤9建立的各组件安装到全局坐标系的对应位置，然后建立相邻组件间的连接关系，形成参数化的装配体模型用于后续计算。
步骤12：建立仿真模型配置文件，用于存放仿真工况信息。仿真工况信息包括上升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。
步骤13：建立参数化仿真模型，根据步骤12建立的仿真模型配置文件中提供的仿真工况信息，在步骤11得到的上升器装配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14：有限元计算，将步骤13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15：建立结果后处理配置文件，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16：参数化结果后处理，根据步骤15建立的结果后处理配置文件提供的节点编号及其所在的组件名称，打开步骤14得到的仿真结果文件，从中提取对应节点的响应数据，将数据写入文本文件并画图保存。
步骤14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14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
1、本发明解决了现有技术在上升器建模中设计效率低、梁结构设计精度低以及复合层板结构建模难的问题，提供一种上升器参数化仿真方法。该方法能够生成各组件的有限元网格模型并自动完成梁结构组装、复合层板结构建模、上升器模型装配、求解工况设定、求解计算和结果提取。
2、本发明实现了上升器动力学参数化模型的自动化建立，避免了上升器的有限元建模过程中改变某一个特征尺寸引起的网格重划分和组件连接关系重设定给设计人员带来的重复劳动。将建模与仿真和结果后处理模块集成为统一的参数化分析方法，解决了现有技术在上升器动力学分析中的设计效率问题。参数化分析的输入参数与执行程序分离，可以结合工程领域已有技术对上升器实现优化设计。
附图说明
图1为本发明的上升器组件的参数化仿真流程示意图；
图2为具体实施方式中上升器和支架几何模型示意图；
图3为具体实施方式中支架与中心体顶板交线中点的加速度响应与已有试验数据的对比；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步说明。
步骤1：简化上升器模型。
上升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。所以在进行参数化仿真之前，本发明首先对上升器的物理模型进行分析和简化：考虑到上升器上的有效载荷的器件较少，且质量较小，可以忽略它对基座加速度的影响。因此，可以仅对上升器的主承力结构建模，包括上升器、上升器贮箱和支架。将有效载荷的质量均匀分布到邻近的板壳结构上。支架与上升器低板上的支座通过球绞单元进行运动学耦合约束。由于上升器、上升器贮箱的主承力板壳结构全部由合金材料或复合材料夹层制成且壁厚远远小于板长，所以二者的组装体可以视为一个纯弹性的壳体结构；支架可视为梁结构。
步骤2：提取上升器各组件(包括上升器和上升器贮箱)的几何特征尺寸、安装位置和相邻组件间的装配关系。其中上升器和上升器贮箱之间为固定连接。
步骤3：提取上升器梁结构和支架的的几何特征尺寸(安装方向、截面形状)、组件安装位置和相邻组件间的装配关系。上升器开口圆梁与贮箱为固定连接，上升器底板加强梁和上升器底板斜梁与底板为固定连接，上升器与支架之间为球铰连接。上升器梁结构包括上升器开口圆梁、上升器底板加强梁、上升器底板斜梁。
步骤4：提取上升器复合层板(上升器顶板、上升器底板、上升器十字隔板和上升器侧板)的材料属性(材料、厚度、纤维方向)。侧板与上升器底板采用镁合金材料，共9层，上层为下层顺时针转动45度；上升器十字隔板采用镁合金与蜂窝材料层叠加，共9层；上升器顶板采用铝合金材料，共3层。
步骤5：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及分析结果。然后在文件夹A下建立空文件夹Material(材料)、Ascender(上升器)、Tank_Ascender(上升器贮箱)、Kickstand(支架)、Assembly(装配体)、Analysis(分析)、Output(结果)，分别用于存放即将建立的模型材料库文件、上升器模型文件、上升器贮箱模型文件、支架模型文件、上升器装配体模型文件、可用于进行上升器软着陆仿真的模型文件和加速度结果文件。
步骤6：利用商业有限元软件Abaqus建立上升器模型的材料库material.cae，用于保存上升器模型和支架的所有材料。
步骤7：建立(或修改)上升器组件模型配置文件，每个配置文件中存放步骤2提取到的对应组件的几何特征尺寸和有限元网格控制信息(网格大小和网格类型)。即在文件夹Ascender、Tank_Ascender中分别建立(或修改)模型配置文件Ascender.dat、Tank_Ascender.dat。
步骤8：建立上升器梁结构和支架配置文件，每个配置文件中存放步骤3提取到的梁结构的几何特征尺寸。即在文件夹Ascender、Kickstand中分别建立(或修改)模型配置文件bottom.dat、Tank_hatch.dat、side.dat、corner.dat、Kickstand.dat。
步骤9：提取上升器复合层板的材料配置文件，每个配置文件中存放步骤4提取到的材料属性。即在文件夹Ascender建立材料配置文件side.dat、bottom.dat、corner.dat、top.dat。
步骤10：建立参数化组件模型
利用封装的Python程序，首先将步骤6生成的material.cae文件复制到各个组件文件夹(Ascender、Tank_Ascender、Kickstand)下并更名为Ascender.cae、Tank_Ascender.cae、Kickstand.cae作为组件和支架模型文件。然后通过Python程序读取步骤7建立的组件模型配置文件，根据配置文件中提供的组件和支架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支架模型文件(Ascender.cae、Tank_Ascender.cae)，建立各组件和支架的几何模型并对其划分有限元网格。
步骤11：利用Python程序读取步骤8建立的梁结构配置文件，，根据配置文件中提供的梁结构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模型文件(Ascender.cae、Kickstand.cae)。
步骤12：利用Python程序读取步骤9建立的材料属性配置文件，，根据配置文件中提供的复合层板材料属性信息驱动Abaqus软件打开并修改组件模型文件(Ascender.cae)。
步骤13：建立(或修改)装配体模型配置文件
在文件夹Assembly下建立(或修改)装配体配置文件sysassmebly.dat，用于存放步骤2提取到的各个组件的安装位置和相邻组件间的装配关系。
步骤14：建立参数化装配体模型
利用封装的Python程序驱动Abaqus软件在文件夹assembly下建立空白装配体模型文件assembly.cae并导入步骤12中建立好的组件和支架模型(Ascender.cae、Tank_Ascender.cae、Kickstand.cae)。读取步骤13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，其中上升器和上升器贮箱之间为固定连接，上升器与支架之间为球铰连接。最后对上升器进行质量配平，使其质心坐标满足具体设计需要。保存并关闭assembly.cae文件。装配体模型示意图如图2所示。
步骤15：建立(或修改)仿真模型配置文件
在文件夹Analysis下建立(或修改)仿真模型配置文件analysis.dat，用于存放仿真工况信息。仿真工况信息包括上升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。
步骤16：建立参数化仿真模型
利用封装的Python程序读取步骤15建立的仿真模型配置文件analysis.dat，将步骤14建立好的装配体模型文件assembly.cae复制到Analysis文件夹下并更名为analysis.cae。根据仿真模型配置文件analysis.dat提供的仿真工况信息，驱动Abaqus软件打开并修改analysis.cae文件，为上升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.inp。保存并关闭analysis.cae。
步骤17：有限元计算，利用封装的Python程序将步骤16中得到的输入文件analysis.inp提交给Abaqus进行计算，得到仿真结果文件analysis.odb。
步骤18：建立(或修改)结果后处理配置文件
在文件夹Output下建立(或修改)结果后处理配置文件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19：参数化结果后处理
利用封装的Python程序读取步骤18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及其时间曲线全部保存于文件夹Output下。支架与上升器交点的输出结果如图3所示。
Claims (3)
1.基于月球上升器组件的参数化仿真方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：提取上升器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；上升器组件包括上升器和上升器贮箱；
步骤2：提取上升器的梁结构和支架的几何特征尺寸(安装方向、截面形状)、组件安装位置和相邻组件间的装配关系；上升器的梁结构由上升器开口圆梁、上升器底板加强梁、上升器底板斜梁组成；
步骤3：提取上升器复合层板(上升器顶板、上升器底板、上升器十字隔板和上升器侧板)的材料属性(材料、厚度、纤维方向)；
步骤4：建立上升器组件的模型配置文件，每个配置文件中存放步骤1提取的上升器、上升器贮箱和支架的几何特征尺寸，以及它们各自的有限元网格控制信息(包括网格大小和网格类型)；
步骤5：建立上升器的梁结构和支架配置文件，每个配置文件中存放步骤2提取的上升器开口圆梁、上升器底板加强梁、上升器底板斜梁、支架的几何特征尺寸；
步骤6：建立上升器复合层板材料配置文件，每个配置文件中存放步骤3提取的上升器顶板、上升器底板、上升器十字隔板和上升器侧板的材料属性，以及它们各自的有限元网格控制信息(包括网格大小和网格类型)；
步骤7：建立上升器组件的有限元模型：根据步骤2建立的配置文件中的几何特征尺寸及有限元网格控制信息，分别建立上升器、上升器贮箱和支架的几何模型，并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上升器、上升器贮箱和支架结构对应的材料属性；
步骤8：建立上升器的梁结构和支架的几何模型：根据步骤5建立的配置文件中的几何特征尺寸及有限元网格控制信息，分别修改上升器和支架的几何模型；
步骤9：根据步骤6建立的配置文件中的材料属性及有限元网格控制信息对上升器组件的复合层板赋予实际的复合材料属性；
步骤10：建立上升器各组件的装配体模型配置文件，用于存放步骤1提取到的各个组件的安装位置和相邻组件间的装配关系；
步骤11：建立参数化装配体模型：根据步骤10建立的装配体配置文件中提供的各个组件的安装位置和装配关系，建立全局坐标系并将步骤9建立的各组件安装到全局坐标系的对应位置，然后建立相邻组件间的连接关系，形成参数化的装配体模型用于后续计算；
步骤12：建立仿真模型配置文件，用于存放仿真工况信息；仿真工况信息包括上升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；
步骤13：建立参数化仿真模型，根据步骤12建立的仿真模型配置文件中提供的仿真工况信息，在步骤11得到的上升器装配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14：有限元计算，将步骤13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15：建立结果后处理配置文件，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16：参数化结果后处理，根据步骤15建立的结果后处理配置文件提供的节点编号及其所在的组件名称，打开步骤14得到的仿真结果文件，从中提取对应节点的响应数据，将数据写入文本文件并画图保存。
2.如权利要求1所述的基于月球上升器组件的参数化仿真方法，其特征在于：步骤14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。
3.如权利要求1所述的基于月球上升器组件的参数化仿真方法，其特征在于：步骤14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。
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