CN111737890A - 一种基于adams临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，包括：S1，通过几何建模软件建立飞行器的各部件几何模型并输出；S2，在ADAMS中导入各部件几何模型，对将各部件几何模型装配为整体模型并定义材料属性及特征点；S3，编写变质量子程序代码并编译形成动态链接库；S4，在ADAMS中施加荷载，定义SOLVER脚本类型并仿真；S5，测量仿真变量结果并分析验证合理性。本发明通过在飞艇升空过程中施加不断变化的荷载时程曲线，以模拟临近空间飞行器真实升空过程的动态响应，使仿真更加接近真实的飞行环境，保证了仿真的准确性和动态响应的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，用于指导临近空间飞行器尤其是平流层飞艇、多体火箭的升空设计和实时控制仿真。
背景技术
临近空间飞行器是指主要在地面以上20—100km之间服役的多功能飞行器，该类飞行器在升空过程中会受到包括大气等复杂外界环境的影响，升空过程涉及复杂的多物理场耦合问题，飞行器自身运动及周边气流等非线性问题显著。因此精准地建立临近空间飞行器的六自由度升空模型，并实现多力场变质量升空仿真对研究临近空间飞行器的升空过程多体动力学响应及优化设计具有重要的意义。
目前国内外对临近空间飞行器的升空过程研究主要有以下两种方法：
(1)将临空飞行器视为刚体模型，基于MATLAB的SIMULINK工具箱对临空飞行器的单自由度或多自由度上升控制，将复杂的非线性化问题简单线性化处理。此种方法虽能考虑到升空全过程的各运动学物理量变化情况，但其基于质点系/刚体动力理论的推导，飞艇上升全过程无法可视化，并且无法根据飞行器的动态响应作出准确及时的控制策略；
(2)将临近空间飞行器视为柔性体分析，基于ANSYS/LS-DYNA或 Abaqus类型有限元软件，对临近空间飞行器瞬态模型的研究，主要侧重于研究流固耦合问题，考查飞行器在升空瞬态动力学响应和温度场的分布。然而此类分析方法主要研究飞行器瞬态模型，无法考虑全过程的控制调节，与真实情况中飞行器由于燃料消耗、抛弃配重导致飞行器质量不断变化不符合。
综上可知，目前现有的关于临近空间飞行器的研究方法仍没有一种可控可视化且能实现变质量的多体升空全过程仿真方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于 ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，同时考虑升空过程中的多物理场耦合，以实现对飞行器升空全过程的可视化控制，为临空飞行器的升空设计、轨迹优化和姿态控制提供指导，为进一步研究临空飞行器全过程刚柔耦合问题提供数据支持，可有效地缩短了设计周期。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，应用于临近空间飞行器升空过程，包括：
S1，通过几何建模软件建立飞行器的各部件几何模型并输出；
S2，在ADAMS中导入各部件几何模型，对将各部件几何模型装配为整体模型并定义材料属性及特征点；
S3，编写变质量子程序代码并编译形成动态链接库；
S4，在ADAMS中施加荷载，定义SOLVER脚本类型并仿真；
S5，测量仿真变量结果并分析验证合理性。
优选地，步骤S1包括：在CATIA软件构建临近空间飞行器的各部件的几何模型；若部件的几何模型为刚性体模型，CATIA直接输出为通用格式文件；若部件的几何模型为柔性体模型，则先将CATIA直接输出的通用格式文件导入至有限元软件Patran中进行网格划分，定义边界条件及对接参数的设定，再导出为模态中性文件。
优选地，步骤S2包括：对将各部件几何模型装配为整体模型包括在 ADAMS中导入柔性部件模型的装配，刚性体模型的装配以及刚柔耦合模型的装配；所述定义材料属性包括在ADAMS动力学环境下对柔性体模型的密度和模量的定义，刚性体模型中质量的定义和转动惯量的定义；所述特征点包括参考坐标系原点、重心点、浮心点。
优选地，步骤S3包括：基于C语言利用visual studio编写可读取临近空间飞行器质量变化时程数据的consub子程序代码块；将Intel visual Fortran安装路径下的静态链接库lib文件拷贝至ADAMS的安装路径下，以便编译时调用所需lib文件，同时将ADAMS中的mdi.bat批处理文件添加至Windows系统的环境变量中；打开visual studio本地命令提示符工具，将工作路径转至 consub子程序代码块所在的文件夹，然后输入mdi命令进入ADAMS环境中编译，编译形成子程序的动态链接库文件；在ADAMS中设置工具栏中将求解器的执行框内的执行路径指向已编译好的动态资源库文件。
优选地，步骤S4中的荷载包括分布荷载和集中荷载，通过SPLINE函数在飞行器升空过程中施加不断变化的荷载时程曲线，所述定义脚本仿真包括使用Adams solver脚本类型，使用“control/function＝user(1)”命令唤起子程序运行。
优选地，步骤S5中的测量仿真变量结果包括将变质量模型的重力时程曲线、加速度时程曲线、角加速度时程曲线，与子程序中所定义的变质量情况所对比，结合动力学理论分析仿真合理性。
优选地，所述飞行器为飞艇。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
本发明提供一种基于ADAMS的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，通过ADAMS在飞艇升空过程中施加不断变化的荷载时程曲线，以模拟临近空间飞行器真实升空过程的动态响应，使仿真更加接近真实的飞行环境，保证了仿真的准确性和动态响应的可靠性，对实现临近空间飞行器的优化设计和精准控制具有重要的指导意义。此外，通过ADAMS 的GUI界面使得模拟临近空间飞行器的变质量过程可控可视化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法的流程示意图。
图2为本发明的临近空间飞行器模型荷载示意图。
图3为本发明的模型质量的仿真测量值。
图4为本发明的模型加速度的仿真测量值。
图5为子程序读取的模型变质量数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1、一种基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，应用于临近空间飞行器升空过程，包括：
S1，通过几何建模软件建立飞行器的各部件几何模型并输出；所述飞行器为平流层飞艇。
具体地，步骤S1为在CATIA三几何建模软件中构建平流层飞艇的各个部件的三维模型；为了简便示例说明，可将平流层飞艇整体视为刚性体模型，直接输出为通用文件格式，再由ADAMS导入通用格式文件。
S2，在ADAMS中导入各部件几何模型，对将各部件几何模型装配为整体模型并定义材料属性及特征点；具体地，步骤S2包括：在ADAMS中导入平流层飞艇不同刚性部件并利用固定副连接，并对刚性体定义质量和转动惯量，同时建立各参考坐标系及选定重心点、浮心点等特征点。
S3，编写变质量子程序代码并编译形成动态链接库；具体地，步骤S3 包括：基于C语言利用visual studio编写可读取平流层飞艇质量变化时程数据的consub子程序代码块；将Intel visual Fortran安装路径下的静态链接库 lib文件拷贝至ADAMS的安装路径下，以便编译时调用所需lib文件，同时将ADAMS中的mdi.bat批处理文件添加至Windows系统的环境变量中；打开visual studio本地命令提示符工具，将工作路径转至consub子程序代码块所在的文件夹，输入mdi命令进入ADAMS环境中编译，编译形成子程序的动态链接库文件；在ADAMS中设置工具栏中将求解器的执行框内的执行路径指向已编译好的动态资源库文件。
其中，所述变质量子程序代码块中主要函数有“PART/id,MASS＝”，PART 后所对应id为变质量模型部件在ADAMS中的编号，MASS后面所连接为该模型部件需要改变的质量，通过for循环使模型的质量在每一分析步中随预先设定的质量时程曲线变化。所述子程序代码块中主要函数有“IP＝Ixx,Iyy,Izz[,Ixy,Ixz,Iyz]”，IP后面所连接为所需改变的转动惯量数组，通过 for循环使模型的转动惯量在每一分析步中随预先设定的转动惯量时程曲线变化。
其中，在步骤S3的编译过程所需调用Intel visual Fortran下的静态链接库 lib文件包括libifcore.lib、libifcoremd.lib、libmmd.lib、libifportmd.lb、libirc.lib，用于存放函数调用信息。
S4，在ADAMS中施加荷载，定义SOLVER脚本类型并仿真；具体地，步骤S4中的荷载包括分布荷载和集中荷载，通过SPLINE函数在飞艇升空过程中施加不断变化的荷载时程曲线，所述定义脚本仿真包括使用Adams solver 脚本类型，使用“control/function＝user(1)”命令唤起子程序运行。
S5，测量仿真变量结果并分析验证合理性。具体地，步骤S5中的测量仿真变量结果包括飞艇模型的重力时程曲线及加速度时程曲线，与子程序中所定义的飞艇变质量情况所对比，结合理论力学知识分析仿真合理性。
本发明的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法通过以下仿真进一步说明：
将基于ADAMS的临近空间飞行器变质量升空仿真分析方法，在某体积约20000m3的平流层飞艇上进行ADAMS动力学环境下的变质量升空仿真研究，如图2所示，将该平流层飞艇视为刚性体模型，其在升空过程中受到六自由度的变化荷载，包括沿艇体坐标系x轴的合力分量FX、沿y轴的合力分量FY、沿z轴的合力分量FZ,绕x轴的合力矩分量MX、绕y轴的合力矩分量 MY、绕z轴的合力矩分量MZ。。
程序的编译过程要求使用visual studio自带的本地命令提示符工具，在子程序代码文件夹下输入mdi命令前要求将批处理文件添加至系统的环境变量中，同时若用C语言所编写的子程序需要文件的后缀名应为c。
需要在工具栏中将求解器的执行框内将执行文件指向已编译好的动态资源库文件，定义脚本仿真类型，只能使用Adams solver求解器，不能使用简单求解或Adams view求解器，仿真的总时间及步长需要在子程序代码块中提前设定。
子程序需要读取模型变质量数据的txt文件，因此在子程序编译前需要把变质量txt数据文件放在子程序代码文件所在的文件目录下。
图3为实施例模型质量的仿真测量值，经过六自由度的平流层飞艇变质量升空模拟，测量出在仿真过程中整体模型的质量变化曲线，经过与图5的txt文件数据对比，可发现所测量仿真升空过程中的质量变化值是按预先定义所执行的。
图4为实施例模型加速度的仿真测量值。初步分析后，仅选取平流飞艇垂直于艇体方向的加速度做研究，经过与SIMULINK工具箱对飞艇升空理论分析的结果对比，可发现飞艇上升的加速度是合理的，飞艇升空过程荷载的精准估算决定了所测量的加速度的准确性。
综上所述，本发明所提供的基于ADAMS的临近空间飞行器变质量升空仿真分析方法可成功解决临近空间飞行器升空过程的变质量仿真及可视化实时控制等问题，解决了传统SIMULINK工具箱无法可视化控制和有限元软件只能分析瞬态模型响应的问题，使仿真更加接近真实的飞行环境，保证了仿真的准确性和动态响应的可靠性，对实现临近空间飞行器的优化设计和精准控制具有重要的指导意义。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，应用于临近空间飞行器升空过程，其特征在于，包括：
S1，通过几何建模软件建立飞行器的各部件几何模型并输出；
S2，在ADAMS中导入各部件几何模型，对将各部件几何模型装配为整体模型并定义材料属性及特征点；
S3，编写变质量子程序代码并编译形成动态链接库；
S4，在ADAMS中施加荷载，定义SOLVER脚本类型并仿真；
S5，测量仿真变量结果并分析验证合理性。
2.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，步骤S1包括：
在CATIA软件构建临近空间飞行器的各部件的几何模型；若部件的几何模型为刚性体模型，CATIA直接输出为通用格式文件；若部件的几何模型为柔性体模型，则先将CATIA直接输出的通用格式文件导入至有限元软件Patran中进行网格划分，定义边界条件及对接参数的设定，再导出为模态中性文件。
3.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，步骤S2包括：
对将各部件几何模型装配为整体模型包括在ADAMS中导入柔性部件模型的装配，刚性体模型的装配以及刚柔耦合模型的装配；
所述定义材料属性包括在ADAMS动力学环境下对柔性体模型的密度和模量的定义，刚性体模型中质量的定义和转动惯量的定义；
所述特征点包括参考坐标系原点、重心点、浮心点。
4.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，步骤S3包括：
基于C语言利用visual studio编写可读取临近空间飞行器质量变化时程数据的consub子程序代码块；
将Intel visual Fortran安装路径下的静态链接库lib文件拷贝至ADAMS的安装路径下，以便编译时调用所需lib文件，同时将ADAMS中的mdi.bat批处理文件添加至Windows系统的环境变量中；
打开visual studio本地命令提示符工具，将工作路径转至consub子程序代码块所在的文件夹，然后输入mdi命令进入ADAMS环境中编译，编译形成子程序的动态链接库文件；
在ADAMS中设置工具栏中将求解器的执行框内的执行路径指向已编译好的动态资源库文件。
5.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，步骤S4中的荷载包括分布荷载和集中荷载，通过SPLINE函数在飞行器升空过程中施加不断变化的荷载时程曲线，所述定义脚本仿真包括使用Adams solver脚本类型，使用“control/function＝user(1)”命令唤起子程序运行。
6.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，步骤S5中的测量仿真变量结果包括将变质量模型的重力时程曲线、加速度时程曲线、角加速度时程曲线，与子程序中所定义的变质量情况所对比，结合动力学理论分析仿真合理性。
7.根据权利要求1所述的基于ADAMS临近空间飞行器变质量升空过程的仿真方法，其特征在于，所述飞行器为飞艇。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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