CN114818144B - 火工冲击源的模拟计算及分析方法 - Google Patents

火工冲击源的模拟计算及分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开了一种火工冲击源的模拟计算及分析方法。其中，模拟计算方法包括：建立所述火工冲击源的有限元模型；在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；对所述有限元模型施加预应力，引爆所述火工冲击源中的炸药；分析所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整各部件之间的所述接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。

Description

火工冲击源的模拟计算及分析方法
技术领域
本发明的实施例涉及技术领域，具体涉及一种火工冲击源的模拟计算及分析方法。
背景技术
在航天飞行器中，火工分离装置常用于实现航天器与运载火箭之间的连接和分离，例如，通过分离螺母、爆炸螺栓、包带、膨胀管等火工分离装置来实现星箭分离、组合件分离、级间分离等任务。在分离过程中，火工分离装置内部的炸药爆炸会产生瞬时、高频和高量级的冲击载荷，易对航天飞行器中的精密元器件造成损伤。对火工爆炸冲击进行模拟计算，可以为航天器结构的设计和布局提供参考。
然而，火工爆炸冲击是一个复杂的非线性流固耦合过程，爆炸冲击波作用于火工分离装置外壳上的应力及其作用在周围结构上的冲击载荷，从理论上难以得到解析模型。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种火工冲击源的模拟计算方法，包括：建立所述火工冲击源的有限元模型；在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；对所述有限元模型施加预应力，引爆所述火工冲击源中的炸药；分析所述火工冲击源分离过程中爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述各部件之间的相互接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。
根据本发明的第二个方面，提供了一种火工冲击响应谱的修正方法，包括：基于火工冲击源的有限元模型，获取冲击响应谱；其中，所述有限元模型根据如上述实施方式中任一项所述的模拟计算方法建立；将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点；确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率；将所述冲击响应谱在所述第一区间内和所述第一区间外对应的曲线分别修正为第一直线和第二直线，以使所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小，且所述第二区间内的部分所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；根据所述第一直线与第二直线，确定标准化冲击响应谱。
根据本发明的第三个方面，提供了一种火工冲击源的分析方法，包括：建立火工冲击源的几何模型；在所述几何模型中，设置所述火工冲击源的几何参数；对所述几何模型进行有限元网格划分，得到有限元模型；基于所述有限元模型，计算得到与具有所述几何参数的所述火工冲击源对应的力载荷曲线及冲击响应谱。
根据本发明的第四个方面，提供了一种火工冲击源冲击响应谱的预测方法，包括：采用如上述实施方式中任一项所述的分析方法，计算得到具有多个不同几何参数的火工冲击源对应的力载荷曲线，并获取对应的各冲击响应谱；修正各所述冲击响应谱，得到标准化冲击响应谱；确定各所述标准化冲击响应谱的特征参数；对所述多个不同几何参数对应的多个所述标准化冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系；根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系以及火工冲击源的几何参数，预测所述火工冲击源的冲击响应谱。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明一个实施例的火工冲击源的模拟计算方法的流程示意图。
图2是根据本发明一个实施例的分离螺母在初始状态下的结构示意图。
图3是根据本发明一个实施例的分离螺母在分离状态下的结构示意图。
图4(a)是根据本发明一个实施例的火工冲击源总体有限元模型示意图；图4(b)是根据本发明一个实施例的火工冲击源起爆端有限元模型；图4(c)是根据本发明一个实施例的火工冲击源螺栓有限元模型；图4(d)是根据本发明一个实施例的火工冲击源非起爆端有限元模型；图4(e)是根据本发明一个实施例的火工冲击源炸药有限元模型；图4(f)是根据本发明一个实施例的火工冲击源分瓣螺母有限元模型；图4(g)是根据本发明一个实施例的火工冲击源锁紧环有限元模型；图4(h)是根据本发明一个实施例的火工冲击源活塞有限元模型；图4(i)是根据本发明一个实施例的火工冲击源空气域有限元模型。
图5是图4(a)中的有限元模型的另一视角的局部放大图。
图6是根据本发明一个实施例的流固耦合的计算过程示意图。
图7是根据本发明一个实施例的火工冲击源的爆炸冲击的计算求解过程。
图8是根据本发明一个实施例的预应力施加位置的示意图。
图9是根据本发明一个实施例的时程超压曲线图。
图10(a)、10(b)、10(c)分别是根据本发明一个实施例的分离螺母有限元模型在初始位置、解锁位置和分离位置时的示意图。
图11是根据本发明一个实施例的力载荷曲线图。
图12是图11中所述力载荷曲线对应的冲击响应谱图。
图13是根据本发明一个实施例的标准化冲击响应谱的示意图。
图14是根据本发明一个实施例的分析系统的结构示意图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
附图标记说明：
10、起爆端；20、非起爆端；30、炸药；40、分瓣螺母；50、螺栓；60、锁紧环；70、活塞；80、爆轰气体；90、空气域。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
图1示出了根据本发明一个实施例的火工冲击源的模拟计算方法。如图1所示，在本实施例中，所述模拟计算方法包括以下步骤。
步骤S10，建立所述火工冲击源的有限元模型。
步骤S20，在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系。
步骤S30，对所述有限元模型施加预应力，引爆所述火工冲击源中的炸药。
步骤S40，分析所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确。当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述各部件之间的相互接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。
采用本实施例所述的方法能够建立准确的火工冲击源的有限元模型，使得该有限元模型能够准确地模拟和计算所述火工冲击源的爆炸冲击过程，进而可以在该有限元模型的基础上预测火工冲击源的冲击响应，并且具有较高的预测精度。
具体地，在步骤S10中，可以根据火工冲击源的各部件之间的相对运动关系来建立所述有限元模型，以使得所述有限元模型可以正确反映所述火工冲击源分离过程中爆轰气体的流动过程及火工冲击源的解锁过程。
在一些实施例中，建立所述有限元模型之前，可以先分析所述火工冲击源的工作原理，以根据火工冲击源的工作原理来建立所述有限元模型。其中，所述火工冲击源可以为分离螺母、爆炸螺栓或膨胀管等火工品，火工品也可以称为火工分离装置。
以分离螺母为例，图2示出了根据本发明一个实施例的分离螺母在静态下的结构示意图，图3示出了图2的分离螺母的解锁后的结构示意图。
如图2所示，所述分离螺母包括外壳，所述外壳作为起爆端10，与所述分离螺母连接的其他被连接结构为非起爆端20。所述外壳内设置有容纳腔，炸药30设置在所述容纳腔中靠近所述起爆端10的一端。分瓣螺母40设置在所述容纳腔中且位于所述炸药30的下方。螺栓50的一端从外壳的非起爆端20的开孔处伸入所述容纳腔中，所述螺栓50位于所述容纳腔中的一端设置有螺纹，分瓣螺母40与所述螺栓50螺纹连接。在本实施例中，所述分瓣螺母40可以为三瓣或四瓣螺母。所述分瓣螺母40上还套设有锁紧环60，用于锁紧所述分瓣螺母40与螺栓50，以限制两者的相对运动。所述分瓣螺母40和所述螺栓50的端部之间还设置有活塞70。
如图2所示，当分瓣螺母40处于初始位置时，分瓣螺母40的轴向和径向均被约束。当所述炸药30被点燃爆炸时，可以迅速产生高压的爆轰气体80，所述高压的爆轰气体80充满所述活塞70至所述起爆端10之间的容纳空间，使得锁紧环60在其底部的气体压力的作用下，克服摩擦力而向上运动至解锁位置。当所述锁紧环60运动至解锁位置时，可以释放对分瓣螺母40的径向约束，进入到解锁过程。由于分瓣螺母40的径向约束消失，开始朝径向运动，使得分瓣螺母40和螺栓50分离。经过一系列的结构碰撞，分瓣螺母40最终在分离位置重新达到动力学平衡。
在获知了火工冲击源的工作原理后，可以按照火工冲击源中的相对运动关系对不同的各个部件进行划分，并建立所述火工冲击源的几何模型，使得该几何模型能够反映火工冲击源的各部件之间的相对运动关系。当所述火工冲击源具有对称性时，可以根据实际情况对所述火工冲击源进行对称性建模。例如，可以建立火工冲击源的1/2或1/4部分的几何模型。具体地，可以基于软件SOLIDWORKS建立所述几何模型。
在本实施例中，以分离螺母为例，建立能够反映分离螺母各部件之间相对运动关系的几何模型。具体地，在建立所述几何模型时，还需要在炸药30以及爆轰气体80的流体区域附近设置空气域。
可选的，在建立所述几何模型时，可以预留参数调整接口，用于调整火工品的几何参数，火工品的几何参数可以包括火工品内炸药的长度、宽度和高度。预留的参数调整接口可以用于调整火工品的几何参数，从而在不同的几何参数条件下进行模拟计算，进而实现不同火工品几何参数下的冲击响应的预测，在对有限元模型进行优化和调整时，也不需要重新进行有限元建模，只需调整有限元模型的几何参数，即可实现不同几何参数下的模拟计算，大大缩短了计算时间，并且减少了计算成本。
在本实施例中，在建立好所述几何模型后，对所述几何模型进行有限元网格单元的划分，得到如图4(a)-图4(i)，及图5所示的有限元模型。具体地，可以通过前处理软件HYPERMESH或ANSYSAUTODYN对所述几何模型进行有限元网格单元的划分。在一些实施例中，可以将火工冲击源中固体结构的部件采用8节点6面体单元进行建模，各单元的尺寸应小于10000Hz下应力波波长的1/6，其中，应力波包括横波和/或纵波，从而保证有限元模型可以捕捉火工冲击的高频振动。值得注意的是，图4(a)仅为示意图，其尺寸并不能和实际有限元模型严格一一对应。
在步骤S20中，当建立好有限元模型后，可以根据火工冲击源的实际情况在有限元模型中设置材料特性参数。
在本实施例中，火工冲击源的固体结构在火工品爆炸冲击的作用下可以表现出材料高应变率下的弹塑性变形，反映出塑性甚至流体特性，此时，应变率效应无法忽略。故可以采用Johnson-cook本构模型来模拟火工冲击源的固体结构单元的材料特性。在该Johnson-cook本构模型中，屈服强度可以采用以下公式(1)和(2)来计算。
Figure BDA0003641022430000071
T*＝(T-T0)/(Tm-T0) (2)
其中，A为稳态屈服强度，B为硬化常数，n为硬化指数，C为应变率影响系数，m为温度影响系数，T为材料温度，T0为室温，Tm为熔点。
此外，火工冲击源中的炸药可以采用爆轰产物状态方程来描述，爆轰产物状态方程可以表征压力与受压的爆轰气体的比体积之间的关系。具体地，本实施例采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)方程(公式(3))来描述炸药材料模型。
Figure BDA0003641022430000072
其中，p为爆轰产物压力，γ＝V/V0为相对比容，V为比体积，E为比内能，E可由炸药的绝对内能es和初始比内能e0得出，A、B、R1、R2和W为试验参数，可以通过试验确定。
进一步地，在步骤S20中，还需要根据火工冲击源的实际情况添加火工冲击源各部件之间的相互接触关系。以分离螺母为例，本实施例中所建立的分离螺母模型中，固体结构的部件之间可以采用罚刚度来模拟各部件的法向接触关系。
此外，在本实施例中，还可以根据火工冲击源的实际情况添加火工冲击源的边界条件。以本实施例中所建立的分离螺母模型为例，由于计算域有限，本实施例在流体计算域中采用无反射边界来模拟无限空间爆轰过程。
此外，在本实施例中，还可以根据火工冲击源的实际情况进行网格单元类型的划分。以分离螺母为例，固体结构的部件之间采用拉格朗日网格，从而更好地模拟固体边界的运动。针对火工冲击源中的流体部分，可以采用欧拉网格来模拟物质的运动过程。固体的拉格朗日非结构网格与流体的结构网格之间不设置公用节点，两者之间相互重叠。
进一步地，可以进行流固耦合计算，以模拟爆炸冲击的高速流固耦合过程。可选的，本实施例采用流体弱耦合法(WCf)进行流固耦合计算，图6示出了根据本发明一个实施例的流固耦合的计算过程。
如图6所示，首先，基于CJ(Chapman-Jouget)爆轰理论，采用流体求解器101在流体计算域中计算无限空间爆炸过程，从而获得欧拉计算域的比体积场和压力场103。接着，确定流固耦合界面，例如可以通过界面搜索算法来确定流固耦合界面。然后，采用流体弱耦合法将流固耦合界面的欧拉计算域的压力场转化为拉格朗日单元的节点力105，并以此为自然边界条件施加到固体求解器102中。在施加自然边界后，通过固体求解器102可以计算得到拉格朗日计算域的位移场、应力与应变场104。此时，拉格朗日计算域的位移场等作为欧拉计算域的固有边界条件，施加到流体求解器101中进行计算。如此循环往复计算，直至最终计算时间，完成整个流固耦合过程的计算。
在流固耦合计算后，即可对所述火工冲击源的爆炸冲击过程进行计算求解。即，对所述有限元模型施加预应力，并引爆所述火工冲击源中的炸药，获得所述火工冲击源分离过程中爆轰气体的流动过程和所述火工冲击源的解锁过程。
图7示出了根据本发明一个实施例的火工冲击源的爆炸冲击的计算求解过程。如图7所示，本实施例的计算求解过程包括步骤S31至S33。
步骤S31、基于所述有限元模型，施加预应力。
以分离螺母为例，对火工冲击源的连接部分施加预应力，从而获得螺栓紧固件的准静态应力场和位移场，进而为后续的爆炸和冲击计算提供初始条件。
在一些实施例中，可以采用动力松弛技术，通过引入较大的阻尼来消除预应力加载时产生的高频振动响应，并消除系统的动能，使得结果能够尽快进入稳态平衡。例如，可以在有限元模型中施加瑞利阻尼，所施加的瑞利阻尼的计算公式如下所示。
α＝4πf0 (4)
其中，α为瑞利阻尼，f0为基础频率。
具体地，可以在所述有限元模型中的连接结构和被连接界面之间设置初始穿透值，以产生初始预应力。然后，逐步调整所述初始穿透值，以调整所述预应力，直至获得预定的预应力值。
在本实施例中，可以设置初始穿透值，通过罚刚度产生接触力，来施加预应力。以分离螺母为例，如图8所示，在螺栓50与被连接界面之间设置初始穿透值，产生初始预应力。通过逐步调整初始穿透值，来调整预应力的大小，从而可以获得预定的预应力，其中，所述预定的预应力为满足实际情况所要求的收敛的预应力。
此外，还可以根据初始穿透值与预应力之间的变化关系，来调整所述初始穿透值以获得所需的预应力。具体地，可以设置初始穿透值，所述初始穿透值和所述预应力之间的线性关系可以通过以下公式(5)来表示。
F0＝adin (5)
其中，a为系数，其大小可以由螺栓的连接刚度决定。
然后通过模拟计算来修正所述初始穿透值和所述预应力之间的变化关系。具体地，以最小步长，将初始穿透值从0cm开始逐步增加，并获取不同初始穿透值对应的预应力，从而修正所述初始穿透值和所述预应力之间的变化关系。例如，最小步长可以为0.0004cm，将初始穿透值从0cm开始逐步增加，从而获得不同初始穿透值对应的预应力。在本实施例中，以所述分离螺母为例，所述初始穿透值和所述预应力之间的关系为：
F0＝1.488·din (6)
在本实施例中，可以根据公式(6)所述的初始穿透值与预应力之间的线性关系，来调整连接结构的初始穿透值，以获得所需的预应力，实现预应力的定量变化。
在施加预应力使得火工冲击源的结构充分预紧之后，即可进行步骤S32。在步骤S32中，引爆所述火工冲击源中的炸药，并模拟火工品爆炸冲击的流固耦合过程。即，设置有限元模型中的炸药起爆，使火工冲击源进入步骤S33的解锁过程。
在解锁过程中，所述火工冲击源中炸药30起爆产生爆轰气体80，且所述爆轰气体80向外迅速膨胀，同时螺栓50解锁并释放应变能，二者共同作用产生火工冲击在这一期间，可以获得所述火工冲击源分离过程中的流体动力学计算结果，例如所述火工冲击源分离过程中流场的气体压力云图、爆轰气体分布空间、爆轰气体传播过程。此外，还可以观察到解锁过程中的火工冲击源各部件的运动位置和/或运动方向。
具体地，以分离螺母为例，在炸药起爆之后，可以获取到火工冲击源的容纳腔内的流场气体压力云图、时程超压曲线、爆轰气体分布空间及爆轰气体传播过程。图9示出了容纳腔内的两个测量点的时程超压曲线。
在获得火工冲击源的模拟计算结果后，可以分析所述火工冲击源分离过程中爆轰气体的流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确。
在步骤S40中，可以通过分析所述火工冲击源分离过程中流场气体压力云图、爆轰气体分布空间及爆轰气体传播过程的至少一个，来确定流体动力学计算结果是否正确。
在一些实施例中，根据所述流场气体压力云图，可以确定流场动力学计算结果是否正确。例如，可以比较基于所述有限元模型获得的所述流场气体压力云图变化关系和标准工况条件下的流场气体压力云图变化关系是否相一致，来确定计算结果是否正确。如图9所示，整个时域过程中气体压力可以分为起爆初期的大量级振荡阶段和平衡之后的准静态阶段，表明计算结果合理。
进一步地，在步骤S40中，可以通过分析火工冲击源各部件的运动位置和/或运动方向，来分析解锁过程是否正确。在本实施例中，以分离螺母为例，如果分析确定火工冲击源的解锁过程如下所述，则确定解锁过程正确。
其中，在炸药起爆时，在爆轰气体的高压作用下，锁紧环60克服静摩擦力，向Z轴正方向运动。当锁紧环60到达如图10(b)所示的解锁位置，分瓣螺母的径向约束消失，两端预应力在斜面的径向分力的作用下，所述分瓣螺母40开始朝径向运动。分瓣螺母40与螺栓50分离，螺栓50尾部的轴向约束解除，应变能释放。螺栓50可以在预应力的作用下产生冲击响应并回弹，获得初速度进而向Z轴负方向运动。经过一系列的结构碰撞后，结构动能在阻尼作用下逐渐耗散，使分瓣螺母40最终在分离位置达到动力学平衡，如图10(c)所示，解锁完成。
在本实施例中，当确定所述计算结果和所述解锁过程正确时，则确定所述火工冲击源有限元模型有效，该有限元模型及其模拟计算结果符合实际的火工冲击源及其爆炸冲击过程。此时，可以获取火工冲击响应的力载荷曲线和/或冲击响应谱，用于进一步的分析。
在本实施例中，还可以通过将模拟计算获得的力载荷曲线和/或冲击响应谱，与试验得到的力载荷曲线和冲击响应谱进行比较，如图11和12所示，从而判断基于所建立的有限元模型预测的冲击响应是否准确，同时还可以判断有限元模型的预测精度。
当所述计算结果和所述解锁过程有误时，则调整各部件之间的所述接触关系，直至获得合理的流程气体压力图以及合理的各部件的运动形式，即直至确定所述火工冲击源有限元模型有效。可选的，当所述计算结果和所述解锁过程有误时，还可以对火工冲击源的流固耦合算法进行调整。
本实施例采用上述模拟计算方法，可以建立准确的有限元模型，用于分析火工冲击源的爆炸冲击过程，使得所构造的火工冲击源有限元模型具有较高的预测精度，可以用于预测所述火工冲击源的冲击响应。
基于有效的所述火工冲击源有限元模型，可以获取所述火工冲击响应的力载荷曲线和/或冲击响应谱。根据所获取的力载荷曲线，可以计算得到所述力载荷曲线对应的冲击响应谱。
进一步地，本实施例还可以对所获取的力载荷曲线对应的冲击响应谱进行修正，以得到标准化的冲击响应谱。
在一些实施例中，在修正所述冲击响应谱时，首先，可以将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点。然后，确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率。接着，将所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线修正为斜率为零的第一直线，所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小。同时，将所述冲击响应谱在所述第一区间外对应的曲线修正为第二直线，所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小。最后，延长所述第一直线与第二直线使其相交，交点即为所述标准化冲击响应谱的拐点，进而获得标准化冲击响应谱。具体地，所述第一直线的斜率为零，其具有固定的幅值，可以采用最小二乘法来确定第一直线的幅值。
在一些实施例中，所述第二区间的最小频率大于所述冲击响应谱的起始频率。在确定第二直线时，以所述冲击响应谱的原始起点，作为所述第二直线的起点，并在所述第二区间内确定所述第二直线的斜率，以使所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小。具体地，可以采用最小二乘法来计算所述第二直线的斜率。
本发明的一个实施例还提供了一种火工冲击响应谱的修正方法，具体包括以下步骤。
步骤S101，基于火工冲击源的有限元模型，获取冲击响应谱；其中，所述有限元模型可以根据上述实施例中所述的模拟计算方法来建立。当然，在一些实施例中，也可以采用其他任意方法来建立火工冲击源的有限元模型。
步骤S102，将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点A1，如图13所示。
步骤S103，确定第一区间B1和第二区间B2，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率。
步骤S104，将所述冲击响应谱在所述第一区间内和第一区间外对应的曲线分别修正为第一直线L1和第二直线L2，以使所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小，且所述第二区间内的部分所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小。
步骤S105，延长所述第一直线与第二直线使其相交，交点即为所述标准化冲击响应谱的拐点。
步骤S106，根据所述第一直线与第二直线及标准化冲击响应谱的拐点，确定标准化冲击响应谱。
具体地，在步骤S101中，可以采用上述实施例中的模拟计算方法来获取火工冲击的冲击响应谱。获取的具体步骤和原理与上述实施例中的相同，此处不再赘述。
在步骤S103中，第一区间的最小频率为所述临时拐点A1对应的频率，而最大频率为实验人员根据实际情况所关注的频率范围的最大值。第二区间的最大频率为所述临时拐点A1对应的频率，而最小频率为实验人员根据实际情况所关注的频率范围的最小值。其中，第二区间的最小频率可以大于所述冲击响应谱的起始频率。例如，若临时拐点的频率为5000Hz，冲击响应谱的起始频率为100Hz，实验人员根据实际情况所关注的频率范围的最小值为1000Hz，最大值为10000Hz，则第一区间的频率范围可以为5000Hz～10000Hz，第二区间可以为1000Hz～5000Hz。
在步骤S104中，可以采用最小二乘法来将对应的曲线修正为第一直线和第二直线。
具体地，所述第一直线的斜率为零，在第一区间内，所述第一直线与原始的冲击响应谱在第一区间对应的曲线之间的均方差最小。由此，可以确定第一直线的幅值，所述第一直线的幅值即为标准化冲击响应谱的幅值。
在本实施例中，所述第二直线的起点A2为冲击响应谱的原始起点。第二直线的斜率可以根据冲击响应谱在第二区间内对应的曲线来确定。所述第二直线的斜率即为所述标准化冲击响应谱的斜率。
当第二区间的最小频率大于冲击响应谱的起始频率时，在第二区间内进行计算来确定第二直线的斜率，使得第二区间内的部分所述第二直线与冲击响应谱在第二区间内对应的曲线之间的均方差最小。
当第二区间的最小频率为冲击响应谱的起始频率时，在第二区间内进行计算来确定第二直线的斜率，使得所述第二直线与冲击响应谱在第二区间内对应的曲线之间的均方差最小。
在步骤S105中，可以将所述第一直线和所述第二直线延长，以使第一直线和第二直线相交，并将第一直线和第二直线的交点设置为标准化冲击响应谱的拐点A3。
在步骤S106中，当确定标准化冲击响应谱的拐点后，根据第一直线、第二直线以及所述拐点A3，可以在所述起始频率和实验人员根据实际情况所关注的最大频率之间的频率范围内，确定两折线段，从而获得标准化冲击响应谱，如图13所示。
本实施例将通过有限元模型获得的冲击响应谱修正为标准化冲击响应谱，避免了不具有标准形状的曲线对冲击响应谱的定量描述和研究分析的不利影响，便于研究人员的分析。
本发明的另一个实施例还提供了一种火工冲击源的分析方法。所述分析方法具体包括步骤S201至步骤S204。
步骤S201，建立火工冲击源的几何模型。
步骤S202，在所述几何模型中，设置所述火工冲击源的几何参数。
步骤S203，对所述几何模型进行有限元划分，得到有限元模型。
步骤S204，基于所述有限元模型，计算得到与具有所述几何参数的所述火工冲击源对应的冲击响应的计算结果。其中，所述冲击响应的计算结果包括：力载荷曲线，以及，根据所述力载荷曲线确定的冲击响应谱。
采用本实施例中的分析方法，可以实现火工冲击源冲击响应的参数化建模和分析，从而能够研究模型中不同参数对冲击响应的影响，并且还可以根据分析结果来对火工冲击源的模型进行优化和调整，便于研究人员对火工冲击源进行优化设计。
本实施例中的分析方法可以采用火工冲击源的分析系统来实现。图14示出了根据本发明一个实施例的分析系统的示意图。如图14所示，本实施例中的分析系统包括几何模型调用模块201、参数控制模块202、网格划分模块203、分析模块204、显示模块205以及存储模块206。
在步骤S201中，建立所述火工冲击源的几何模型时，可以采用上述实施例的模拟计算方法中所建立的几何模型。
其中，在建立所述几何模型时，可以预留参数调整接口，用于调整火工品的几何参数，火工品的几何参数可以包括火工品内炸药的长度、宽度和高度。
本实施例通过预留参数调整接口以调整火工品的几何参数，从而在不同的几何参数条件下进行模拟计算，实现了对火工冲击源的参数化建模，进而实现不同火工品几何参数下的冲击响应的预测，在对有限元模型进行优化和调整时，也不需要重新进行有限元建模，只需调整有限元模型的几何参数，即可实现不同几何参数下的模拟计算，大大缩短了计算时间，并且减少了计算成本。
此外，建立所述几何模型的方法于上述实施例的模拟计算方法中的步骤S10中的具体步骤和原理相同，此处不再赘述。当然，也可以采用其他方法建立火工冲击源的几何模型。
在本实施例中，可以通过所述分析系统的几何模型调用模块201调用已经建立好的火工冲击源的几何模型。具体地，所述几何模型调用模块201可以与模型建立通信，从而使得几何调用模块201可以获取和调用建立的几何模型。在本实施例中，模型建立系统可以为SOLIDWORKS软件。
在步骤S202中，在建立的所述几何模型中设置火工冲击源的几何参数。其中，所述火工冲击源的几何参数包括炸药的长度、宽度和高度。
具体地，所述几何模型中设置有用于调整所述火工冲击源的几何参数的参数调整接口。所述分析系统中的参数控制模块202与所述参数调整接口建立通信，在所述参数控制模块202中设置火工冲击源的几何参数。示例地，通过Solidworks API函数对几何模型中炸药的长度、宽度和/或高度进行调整。
几何参数设置完成后，更新所述几何模型，并进行保存。在本实施例中，所述几何模型可以保存至分析系统的存储模块206中。
在本实施例中，可以将所述几何参数设置为数值。可选的，可以将所述几何参数设置为数值区间。
在步骤S203中，当几何参数设置完成后，可以对更新后的几何模型进行有限元网格划分，从而得到有限元模型。在本实施例中，可以通过将所述几何模型导入至所述网格划分模块203中，从而对几何模型进行网格划分。网格划分完成后，保存得到的所述有限元模型。
在一些实施例中，所述网格划分模块203可以调用前处理软件HYPERMESH，通过TCL语言将更新后的几何模型导入至所述前处理软件中，并对所述几何模型进行网格划分，完成划分之后，可以将得到的有限元模型保存至存储模块206中。
在步骤S204中，可以通过分析模块204来执行计算。具体地，所述分析模块204可以将所述有限元模型调用至有限元分析软件中，例如Ansys，并开始进行计算。在模拟计算结束后，可以将计算得到的计算结果保存至存储模块206中。
在执行计算时，首先，根据实际情况设置材料特性参数，添加接触关系和边界约束关系，然后施加预应力，并引爆火工冲击源中的炸药，最后得到所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流体动力学计算结果和冲击响应结果。在本实施例中，对有限元模型进行计算的具体过程与上述实施例的模拟计算方法中的步骤S20至步骤S40中的具体过程和原理相同，此处不再赘述。
此外，在本实施例中，当几何参数设置为数值时，可以计算该几何参数数值对应的冲击响应以及爆轰气体流体动力学的计算结果，所述计算结果可以记录或保存在所述存储器中。研究人员可以通过调整几何参数的数值，来计算不同几何参数数值所对应的冲击响应及爆轰气体流体动力学的计算结果。
当几何参数设置为数值区间时，则可以计算所述数值区间内所有几何参数对应的冲击响应以及爆轰气体流体动力学的计算结果。具体地，所述分析系统则重复执行步骤S202至步骤S204，从而将几何参数依次调整为所述数值区间内的各个取值，并计算各个取值所对应的计算结果，直至完成并记录或保存所述数值区间内全部取值所对应的计算结果，所述计算结果可以记录或保存在所述存储器中。
在本实施例中，所述分析系统还包括显示模块205，当完成计算后，可以通过该显示模块205来查看不同的几何参数数值所对应的计算结果。具体地，在所述显示模块205中，可以在所设置的各数值中或者数值区间内，选定所要查看的几何参数数值，所述显示模块205即可显示选定的几何参数数值所对应的计算结果。
在一些实施例中，所述计算结果包括冲击响应谱和/或流场气体压力云图。此外，在计算得到不同几何参数所对应的计算结果后，例如，完成一个或多个几何参数数值区间或者多个不同几何参数数值下的计算后，还可以分析并得到不同几何参数下冲击响应谱幅值变化曲线、冲击响应谱拐点变化曲线以及冲击响应谱斜率变化曲线。
采用本实施例中的分析方法，可以实现不同火工品几何参数下的冲击响应的测试，有利于对有限元模型进行优化和调整。在探究不同几何参数条件对模型计算结果的影响时，也不需要重新进行有限元建模，只需调整有限元模型的几何参数，即可实现不同几何参数下的模拟计算，大大缩短了计算时间，并且减少了计算成本，提高了分析和计算效率。
在本实施例中，可以根据不同几何参数对应的冲击响应谱，来确定冲击响应谱的特征参数与火工冲击源的几何参数之间的变化关系，从而可以预测火工冲击源的冲击响应谱。
具体地，在基于所述有限元模型，获取多个不同几何参数下对应的冲击响应谱后，确定各冲击响应谱的特征参数，所述特征参数包括幅值、拐点和斜率。随后，对不同几何参数下对应的多个冲击响应谱的特征参数进行拟合，以获得所述特征参数随所述火工冲击源的几何参数的变化关系。根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系，可以预测不同几何参数下的火工冲击源的冲击响应谱。
本发明的一个实施例提供了一种火工冲击源冲击响应谱的预测方法。在本实施例中，所述预测方法包括以下步骤。
步骤S301，基于所述火工冲击源的有限元模型，获取多个不同几何参数对应的冲击响应谱。其中，所述几何参数包括炸药的长度、宽度和高度。
具体地，可以采用上述实施例中的分析方法，计算得到具有不同几何参数的火工冲击源对应的冲击响应，并获取对应的各冲击响应谱。获取冲击响应谱的具体过程与上述实施例的分析方法中的相同，此处不再赘述。当然，在一些实施例中，也可以通过其他方式来获取火工冲击源在不同参数条件下的冲击响应谱。
步骤S302，修正获得的各所述冲击响应谱，从而得到多个不同几何参数下对应的标准化冲击响应谱。
在本实施例中，可以采用上述实施例中的修正方法来修正所述冲击响应谱，具体方法和步骤与上述实施例中的相同，此处不再赘述。
步骤S303，确定各所述标准化冲击响应谱的特征参数，所述特征参数包括冲击响应谱的幅值、拐点和斜率。
步骤S304，对多个不同的几何参数下对应的标准化冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，以获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系。其中，所述特征参数曲线为各特征参数随火工冲击源的几何参数的变化曲线，其包括幅值随几何参数的变化曲线、拐点随几何参数的变化曲线和斜率随几何参数的变化曲线。
具体地，可以采用最小二乘法分别对多个不同几何参数下对应的标准化冲击响应谱的幅值、拐点和斜率曲线进行拟合，从而获得标准化冲击响应谱的幅值、拐点和斜率分别随炸药的长度、宽度和高度的变化关系。
所述变化关系可以通过如下所示的经验公式来描述。
Fi＝ax3+bx2+cx+d (7)
其中，Fi为标准化冲击响应谱的幅值、拐点或斜率，x为炸药的长度、宽度或高度，a、b、c和d为经验参数，可以通过最小二乘法来拟合确定。
步骤S305，根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系以及火工冲击源的几何参数，预测火工冲击源的冲击响应谱。在本实施例中，当优化或调整火工冲击源的几何参数时，可以根据拟合计算所得的经验公式(7)，来预测优化或调整后的新的火工冲击源对应的冲击响应谱。便于研究人员对火工冲击源进行设计和修改。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种火工冲击源的模拟计算方法，其特征在于，包括：
建立所述火工冲击源的有限元模型；
在所述有限元模型中添加所述火工冲击源中各部件之间的相互接触关系；
对所述有限元模型施加预应力，并引爆所述火工冲击源中的炸药；
对所述有限元模型施加预应力包括：
在所述有限元模型中的连接结构和被连接界面之间设置初始穿透值，以产生初始预应力；
逐步调整所述初始穿透值，以调整所述初始预应力，直至获得预定的预应力值；
分析所述火工冲击源分离过程中的爆轰气体流动过程和所述火工冲击源的解锁过程是否正确；
分析所述火工冲击源分离过程中爆轰气体的流动过程，包括：
分析所述火工冲击源分离过程中流场的气体压力云图、爆轰气体的传播过程、爆轰气体的分布空间；
分析所述火工冲击源的解锁过程，包括：
分析所述火工冲击源中各部件的运动位置及运动方向；
当所述流动过程和所述解锁过程正确时，确定所述火工冲击源有限元模型有效；
当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述火工冲击源各部件之间的相互接触关系，直至所述流动过程和所述解锁过程正确；
基于所述有限元模型，获取多个不同几何参数对应的冲击响应谱；
确定各冲击响应谱的特征参数；
对所述多个不同几何参数对应的多个所述冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系；
所述变化关系通过如下所示的经验公式来描述
Fi＝ax3+bx2+cx+d
其中，Fi为标准化冲击响应谱的幅值、拐点或斜率，x为炸药的长度、宽度或高度，a、b、c和d为经验参数，通过最小二乘法来拟合确定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在建立所述有限元模型后，在所述有限元模型中添加所述火工冲击源的边界条件。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：当所述流动过程和所述解锁过程有误时，调整所述火工冲击源的流固耦合算法，直至所述流动过程和所述解锁过程正确。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
根据不同初始穿透值对应的预应力值，确定所述预应力值与所述初始穿透值之间的变化关系。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定所述火工冲击源有限元模型有效后，获取火工冲击响应的力载荷曲线和/或冲击响应谱。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：对所述冲击响应谱进行修正，以获得标准化的冲击响应谱。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述冲击响应谱进行修正包括：
将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点；
确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率；
将所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线修正为斜率为零的第一直线，所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小；
将所述冲击响应谱在所述第一区间外对应的曲线修正为第二直线，所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；
延长所述第一直线与第二直线使其相交，交点即为所述标准化冲击响应谱的拐点。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二区间的最小频率大于所述冲击响应谱的起始频率；所述方法还包括：
以所述冲击响应谱的起始点为起点，确定所述第二直线；
在所述第二区间内，确定所述第二直线的斜率，以使所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，采用最小二乘法来确定所述第一直线和所述第二直线的斜率。
10.一种火工冲击响应谱的修正方法，其特征在于，包括：
基于火工冲击源的有限元模型，获取冲击响应谱；其中，所述有限元模型根据如权利要求1-5任一项所述的方法建立；
将所述冲击响应谱中频率最小的极值点设置为临时拐点；
确定第一区间和第二区间，其中，所述第一区间的最小频率为所述临时拐点对应的频率，所述第二区间的最大频率为所述临时拐点对应的频率；
将所述冲击响应谱在所述第一区间内和所述第一区间外对应的曲线分别修正为第一直线和第二直线，以使所述第一直线与所述冲击响应谱在所述第一区间内对应的曲线的均方差最小，且所述第二区间内的部分所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；
根据所述第一直线与第二直线，确定标准化冲击响应谱。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一直线的斜率为零，所述第一直线的幅值即为所述标准化冲击响应谱的幅值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二区间的最小频率大于所述冲击响应谱的起始频率。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二直线的起点为所述冲击响应谱的原始起点；
在所述第二区间内，确定所述第二直线的斜率，以使所述第二直线与所述冲击响应谱在所述第二区间内对应的曲线的均方差最小；
所述第二直线的斜率即为所述标准化冲击响应谱的斜率。
14.如权利要求10-13任一项所述的方法，其特征在于，以最小二乘法确定所述第一直线和第二直线。
15.如权利要求10-13任一项所述的方法，其特征在于，所述第一直线和所述第二直线的交点设置为所述标准化冲击响应谱的拐点。
16.一种火工冲击源的分析方法，其特征在于，包括：
建立火工冲击源的几何模型；
在所述几何模型中，设置所述火工冲击源的几何参数；
对所述几何模型进行网格单元的划分，得到有限元模型；
基于所述有限元模型，计算得到与具有所述几何参数的所述火工冲击源对应的力载荷曲线及冲击响应谱；
基于所述有限元模型，获取多个不同几何参数对应的冲击响应谱；
确定各冲击响应谱的特征参数；
对所述多个不同几何参数对应的多个所述冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系；
所述变化关系通过如下所示的经验公式来描述
Fi＝ax3+bx2+cx+d
其中，Fi为标准化冲击响应谱的幅值、拐点或斜率，x为炸药的长度、宽度或高度，a、b、c和d为经验参数，通过最小二乘法来拟合确定。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述有限元模型，确定所述几何参数下对应的爆轰气体流体力学计算结果。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，还包括：将所述几何参数设置为固定的数值；
基于所述有限元模型，计算不同的几何参数数值对应的冲击响应。
19.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，还包括：将所述几何参数设置为数值区间：
基于所述有限元模型，计算所述数值区间内各几何参数对应的冲击响应。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系，预测火工冲击源在不同几何参数条件下的冲击响应谱。
21.一种火工冲击源冲击响应谱的预测方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求16-18任一项所述的方法，计算得到具有多个不同几何参数的火工冲击源对应的各冲击响应，并获取对应的各冲击响应谱；
修正各所述冲击响应谱，得到标准化冲击响应谱；
确定各所述标准化冲击响应谱的特征参数；
对所述多个不同几何参数对应的多个所述标准化冲击响应谱的特征参数曲线进行拟合，获得所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系；
根据所述特征参数随火工冲击源的几何参数的变化关系以及火工冲击源的几何参数，预测所述火工冲击源的冲击响应谱。
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