CN106971021A - 一种燃气增压差动贮箱集成设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真软件模拟技术领域，具体涉及一种燃气增压差动贮箱集成设计方法。该方法包括以下步骤：1)搭建燃气增压差动贮箱的模块化系统；2)确定差动贮箱类型，选中待设计的差动贮箱类型；3)根据差动贮箱参数计算模块计算差动贮箱的基本输出参数；4)创建差动贮箱的参数化模型；5)对差动贮箱的参数化模型进行模拟仿真；本发明利用通用编程语言和有限元软件二次开发语言，解决了现有燃气增压差动贮箱产品设计周期长，效率低、灵活性差等问题。

Description

一种燃气增压差动贮箱集成设计方法

技术领域

本发明属于仿真软件模拟技术领域，具体涉及一种燃气增压差动贮箱集成设计方法。

背景技术

推进剂贮箱是航天器中进行推进剂管理控制的装置，有多种不同的分类方式，按照推进剂管理控制方式可以分为燃气增压差动贮箱、金属隔膜贮箱等。其中，燃气增压差动贮箱因为能实现自增压,在航天器燃气自增压动力系统中广泛应用。

目前，在贮箱产品的设计过程中，设计人员在完成参数计算之后，人工根据计算的参数开展结构设计。在结构设计完成后，人工将模型导入有限元软件或者在有限元软件中重新建立模型，进行有限元仿真模拟。在完成仿真模拟后，人工判读仿真结果和编写设计报告。上述设计过程被人为地独立分开，存在以下问题：

(1)产品设计周期长、效率低、灵活性差。

(2)产品设计质量很大程度上受制于设计人员的工程经验。

(3)结构设计和仿真受到设计人员对软件熟悉程度不同的影响，极易出现设计不协调和错误的情况。

发明内容

针对背景技术中提出的问题，本发明利用通用编程语言和有限元软件二次开发语言，提出了一种燃气增压差动贮箱集成化设计方法，解决了现有燃气增压差动贮箱产品设计周期长，效率低、灵活性差等问题。

本发明的具体技术方案是：

本发明提出了一种燃气增压差动贮箱集成设计方法，包括以下步骤：

1)搭建燃气增压差动贮箱的模块化系统；

模块化系统包括差动贮箱参数计算模块、差动贮箱结构设计模块、以及差动贮箱结构仿真模块；

差动贮箱参数计算模块用于计算待设计的差动贮箱基本参数；

差动贮箱结构设计模块根据差动贮箱的基本参数创建差动贮箱的参数化模型；

差动贮箱结构仿真模块对所创建的差动贮箱参数化模型进行多种类型的仿真模拟输出仿真模拟的结果，并对仿真模拟的结果的合理性进行判断；所述仿真模拟的结果包括静力学分析、动力学分析、屈曲分析以及热分析；

2)确定差动贮箱类型，选中待设计的差动贮箱类型；差动贮箱类型包括活塞杆式贮箱和双活塞式贮箱；

3)根据差动贮箱参数计算模块计算差动贮箱的基本输出参数；

确定待设计的差动贮箱的基本输入参数，将基本输入参数输入至差动贮箱参数计算模块，计算出差动贮箱的基本输出参数；

基本输入参数包括：推进剂种类、推进剂有效量、管路充填量、排空效率、温度范围、气腔额定压力、气腔最高压力、增压比、壳体材料、活塞材料和直径、防热层材料和厚度等参数；

基本输出参数包括推进剂加注量、液腔容积、面积比、活塞行程、气、液腔壁厚等参数；

4)创建差动贮箱的参数化模型；

基于有限元软件MSC.Patran的二次开发语言,编制参数化建模程序；参数化建模程序可根据差动贮箱的基本输出参数直接创建差动贮箱的参数化模型，并对所创建的差动贮箱的参数化模型进行添加材料属性、设置边界条件和约束条件的操作；

5)对差动贮箱的参数化模型进行模拟仿真；

利用差动贮箱的结构仿真模块调用有限元软件MSC.Nastran对差动贮箱的参数化模型进行静力学分析、动力学分析、屈曲分析以及热分析；判断仿真模拟的结果是否合理，若是，则结束；若不是，则返回步骤3)调整基本输出参数，直至结果合理。

上述模块化系统还包括结果后处理模块；结果后处理模块根据差动贮箱参数计算模块、差动贮箱结构设计模块、差动贮箱结构仿真模块的结果生成其对应的结果和word格式报告；

对于差动贮箱参数计算模块生成差动贮箱基本输入参数和基本输入参数的word格式报告；

对于差动贮箱结构设计模块生成差动贮箱参数化模型；

对于差动贮箱结构仿真模块中的静力学分析，生成应力云图和变形云图；

对于差动贮箱结构仿真模块中的动力学分析，生成频响曲线和随机振动响应曲线；

对于差动贮箱结构仿真模块中的屈曲分析，生成失稳波数和失稳形式；

对于差动贮箱结构仿真模块中的热分析，生成温度曲线和云图。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明可以实现燃气增压差动贮箱集成化设计，有效提高产品的合格率和设计效率；同时，在本发明中贮箱的壳体是在差动装置的基础上设计的，保证了各结构之间的协调性。在仿真时，贮箱外壳的有限元模型是在差动装置有限元模型的基础上创建的，保证了设计参数的匹配性；通过对主要结构的边界连接处设置参数化单元种子，保证了有限元模型单元的协调性。

2、本发明只需提供设计过程中关心的关键驱动参数，即可建立差动装置参数化模型；根据计算仿真结果，需要修正结构参数重新计算时只需修改相应参数，无需重复进行有限元前后处理操作，提高工作效率，使得产品方案的论证时间和设计周期大幅缩减，有效降低了研制成本。

3、本发明将差动贮箱设计经验、商业软件分析参数设置经验进行定量化描述，并集成了优化设计程序，为用户提供最优设计参数组合，降低以往对工程经验的过度依赖。

附图说明

图1是燃气增压差动贮箱的贮箱参数计算模块。

图2是燃气增压差动贮箱结构设计模块中的差动装置结构设计界面。

图3是燃气增压差动贮箱结构设计模块中的贮箱壳体结构设计界面。

图4是燃气增压差动贮箱结构仿真模块中的差动装置屈曲分析界面。

图5是燃气增压差动贮箱结构仿真模块中的贮箱壳体静力分析界面。

图6是燃气增压差动贮箱结构仿真模块中的热分析界面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明详细的设计过程进行介绍。

步骤1)搭建燃气增压差动贮箱的模块化系统；

模块化系统包括差动贮箱参数计算模块、差动贮箱结构设计模块、以及差动贮箱结构仿真模块；

差动贮箱参数计算模块用于计算待设计的差动贮箱基本参数；

差动贮箱结构设计模块根据差动贮箱的基本参数创建差动贮箱的参数化模型，包括差动装置结构设计和贮箱壳体结构设计；

差动贮箱结构仿真模块对所创建的差动贮箱参数化模型进行多种类型的仿真模拟输出仿真模拟的结果，并对仿真模拟的结果的合理性进行判断；所述仿真模拟的结果包括静力学分析、动力学分析、屈曲分析以及热分析。

步骤2)选择差动贮箱类型为活塞杆式差动贮箱；

步骤3)根据活塞杆式差动贮箱参数计算模块计算差动贮箱的基本输出参数，通过输入有效推进剂量、推进剂种类、密度、气、液腔压力等输入参数，计算出输出参数，包括加注量、贮箱气垫容积和液腔容积、面积比和活塞行程，以加注量计算为例，如图1所示；

步骤4)创建差动贮箱的参数化模型；

根据基本输出参数，包括面积比和活塞行程等，并输入差动装置参数化模型相关参数，包括活塞杆长L1、活塞直线段L2、活塞椭圆长半轴A0、活塞椭圆短半轴B0、圆柱段内径D1～D5、活塞壁厚B1、B3、加强筋厚度B2、加筋数。

根据基本输出参数，包括气、液腔压力、液腔容积、面积比和活塞行程等，计算并校核壁厚相关参数，包括箱体厚度H、左椭圆厚度T2、箱底椭圆段厚度T5等，并输入贮箱壳体参数化模型相关参数，包括壳体圆柱段内径D0～D3、箱体及密封槽相关尺寸L1～L12等。

分别选择差动装置和贮箱壳体的材料，通过有限元软件MSC.Patran及参数化建模程序分别创建差动装置和贮箱壳体的参数化有限元模型，如图2和图3所示。

步骤5)对差动贮箱的参数化模型进行模拟仿真；

利用差动贮箱的结构仿真模块对差动贮箱进行仿真分析。以MSC.Patran建立的差动贮箱参数化模型为基础，在不同类型的仿真模块分别设置各自分析参数，结构仿真模块可调用有限元软件MSC.Nastran进行相应的仿真分析。

差动装置结构仿真模块包括活塞屈曲分析、活塞杆屈曲分析、静力学分析。以活塞杆失稳分析为例，如图4所示,输入压力载荷后进行仿真分析，分析结束后，可以查看屈曲因子和屈曲云图。

贮箱壳体结构仿真模块包括外压失稳分析、静力学分析、正弦扫描分析。以静力学分析为例，如图5所示，输入分析参数，如内压、轴向过载和侧向过载，并选择计算工况，如有无内压、过载加载形式等，随后进行仿真分析，分析结束后，可以查看最大位移。最大应力等参数及位移和应力云图。

以热仿真为例，如图6所示，输入分析参数，如防热层厚度、环境温度、环境热交换系数、气腔热流、差动装置右移距离、防热层材料种类和推进剂种类等，随后进行仿真分析，分析结束后，可以查看温度云图。

每种类型的仿真分析结束后，由研究人员判断仿真模拟的结果是否合理，若是，则结束；若不是，则返回步骤3)调整基本输出参数，直至结果合理。

Claims (2)

1.一种燃气增压差动贮箱集成设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)搭建燃气增压差动贮箱的模块化系统；

模块化系统包括差动贮箱参数计算模块、差动贮箱结构设计模块以差动贮箱结构仿真模块；

差动贮箱参数计算模块用于计算待设计的差动贮箱基本参数；

差动贮箱结构设计模块根据差动贮箱的基本参数创建差动贮箱的参数化模型；

差动贮箱结构仿真模块对所创建的差动贮箱参数化模型进行多种类型的仿真模拟输出仿真模拟的结果，并对仿真模拟的结果的合理性进行判断；所述仿真模拟的结果包括静力学分析、动力学分析、屈曲分析以及热分析；

2)确定差动贮箱类型，选中待设计的差动贮箱类型；差动贮箱类型包括活塞杆式贮箱和双活塞式贮箱；

3)根据差动贮箱参数计算模块计算差动贮箱的基本输出参数；

确定待设计的差动贮箱的基本输入参数，将基本输入参数输入至差动贮箱参数计算模块，计算出差动贮箱的基本输出参数；

基本输入参数包括：推进剂种类、推进剂有效量、管路充填量、排空效率、温度范围、气腔额定压力、气腔最高压力、增压比、壳体材料、活塞材料和直径以及防热层材料和厚度；

基本输出参数包括推进剂加注量、液腔容积、面积比、活塞行程、气腔壁厚度以及液腔壁厚度；

4)创建差动贮箱的参数化模型；

基于有限元软件MSC.Patran的二次开发语言,编制参数化建模程序；参数化建模程序可根据差动贮箱的基本输出参数直接创建差动贮箱的参数化模型，并对所创建的差动贮箱的参数化模型进行添加材料属性、设置边界条件和约束条件的操作；

5)对差动贮箱的参数化模型进行模拟仿真；

利用差动贮箱的结构仿真模块调用有限元软件MSC.Nastran对差动贮箱的参数化模型进行静力学分析、动力学分析、屈曲分析以及热分析；判断仿真模拟的结果是否合理，若是，则结束；若不是，则返回步骤3)调整基本输出参数，直至结果合理。

2.根据权利要求1所述的一种燃气增压差动贮箱集成设计方法，其特征在于：

所述模块化系统还包括结果后处理模块；结果后处理模块根据差动贮箱参数计算模块、差动贮箱结构设计模块、差动贮箱结构仿真模块的结果生成其对应的结果和word格式报告；

对于差动贮箱参数计算模块生成差动贮箱基本输入参数和基本输入参数的word格式报告；

对于差动贮箱结构设计模块生成差动贮箱参数化模型；

对于差动贮箱结构仿真模块中的静力学分析，生成应力云图和变形云图；

对于差动贮箱结构仿真模块中的动力学分析，生成频响曲线和随机振动响应曲线；

对于差动贮箱结构仿真模块中的屈曲分析，生成失稳波数和失稳形式；

对于差动贮箱结构仿真模块中的热分析，生成温度曲线和云图。