CN115982863B

CN115982863B - 一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质

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Publication number: CN115982863B
Application number: CN202310252294.6A
Authority: CN
Inventors: 王旭阳; 王珺; 薛杰; 宋少伟; 张磊; 庞勇; 吴琼
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority date: 2023-03-16
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2043-03-16
Also published as: CN115982863A

Abstract

本发明公开一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质，涉及流固耦合分析技术领域，以解决现有仅能通过试验的方式得到控制响应的问题，一种控制响应的冲击试验仿真方法包括：获取冲击试验中各部件的几何模型和目标上一量级对应的控制加速度响应；建立流固耦合动力学仿真模型，基于目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力，将目标量级对应的支反力施加在流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据；提取仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应。本发明提供的控制响应的冲击试验仿真方法用于对充液贮箱冲击试验进行仿真得到仿真控制响应。

Description

一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及流固耦合分析技术领域，尤其涉及一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质。

背景技术

贮箱作为液体介质常见的存储结构，广泛应用于航空、航天、交通等工业领域，在外界激振力作用下，箱内液体发生不受液面约束的非线性和随机性自由移动。在开展充液贮箱低频冲击试验时，在低量级冲击载荷作用下，贮箱内液体晃动惯性力较小，此时试验控制响应精度较高。然而随着试验量级的提升，流体影响成分占比逐渐增大，当超过某一试验量级时，液体晃动惯性力反作用于试验夹具，导致在满量级试验时，控制响应的曲线存在超差特性，产品存在“过试验”考核现象，不满足试验质量要求。

针对该问题，目前仅能通过单一试验的方式对控制响应进行分析研究，若存在超差特性需生产新结构形式夹具再继续进行冲击试验尝试，直到试验控制曲线不再出现超差特性为止，产品切实达到试验要求的考核目的，整个试验迭代过程费时、费力、费用巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质，用于解决目前仅能通过单一试验的方式对充液贮箱冲击试验中的控制响应进行确定，费时费力且费用巨大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种控制响应的冲击试验仿真方法，包括：

获取火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型和冲击试验中目标上一量级对应的控制加速度响应；

基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型；

基于所述目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力；

将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据；

提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应。

与现有技术相比，本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真方法中，根据获取的火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型建立的流固耦合动力学仿真模型能够真实有效的对充液贮箱冲击试验过程中控制响应的非线性变化过程进行仿真，同时可以清晰得到冲击试验的结构响应和液体运动轨迹；通过目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力，考虑了充液贮箱中水域惯性力对夹具动特性的影响，使得到的支反力更加准确；将目标量级对应的支反力施加在流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据；提取仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应，采用力这种非强迫形式对流固耦合动力学仿真模型进行加载，可以使计算得到的结果更加准确；另外当冲击试验的控制曲线存在超差特性，产品存在“过试验”考核现象时，仅需更改获取的冲击试验中相关部件的结构参数即可进行新的冲击试验仿真，解决了目前单一试验方法存在的费时费力且费用巨大的问题。

第二方面，本发明还提供一种控制响应的冲击试验仿真装置，包括：

几何模型和控制响应获取模块，用于获取火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型和冲击试验中目标上一量级对应的控制加速度响应；

流固耦合动力学仿真模型建立模块，用于基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型；

目标量级对应的支反力确定模块，基于所述目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力；

目标量级对应的仿真模块，将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据；

仿真控制响应提取模块，用于提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应。

与现有技术相比，本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真装置的有益效果与上述技术方案所述一种控制响应的冲击试验仿真方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第三方面，本发明还提供一种控制响应的冲击试验仿真设备，包括：

通信单元/通信接口，用于获取火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型和冲击试验中目标上一量级对应的控制加速度响应；

处理单元/处理器，用于基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型；

与现有技术相比，本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真设备的有益效果与上述技术方案所述一种控制响应的冲击试验仿真方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现上述控制响应的冲击试验仿真方法。

与现有技术相比，本发明提供的一种计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案所述一种控制响应的冲击试验仿真方法的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明提供的现有试验振动台逐级加载方式和仿真模型逐级加载方式对比图；

图2为本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真方法流程图；

图3为本发明提供的冲击试验各部件几何模型示意图；

图4为本发明提供的-6dB量级下试验得到的控制响应曲线图；

图5为本发明提供的-6dB量级下仿真得到的控制响应曲线图；

图6为本发明提供的-3dB量级下试验得到的控制响应曲线图；

图7为本发明提供的-3dB量级下仿真得到的控制响应曲线图；

图8为本发明提供的0dB量级下试验得到的控制响应曲线图；

图9为本发明提供的0dB量级下仿真得到的控制响应曲线图；

图10为本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真装置的结构示意图；

图11为本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真设备的结构示意图。

附图标记：

1-振动台，2-夹具，3-贮箱壳体，4-壳内水域。

实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在介绍本发明实施例之前首先对本发明实施例中涉及到的相关名词作如下释义：

流固耦合：是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。它是流体力学 (CFD) 与固体力学 (CSM) 交叉而生成的一门力学分支。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

图1为本发明提供的现有试验振动台逐级加载方式和仿真模型逐级加载方式对比图，如图1所示，现有的冲击试验以3dB量级逐级递增方式进行加载，在开展充液贮箱低频冲击试验时，振动台利用电磁感应原理产生推力作用于振动台底部，通过加速度传感器测量夹具底部的试验控制曲线，判断该试验控制曲线与当前量级参考谱的吻合度，当吻合度低时，系统基于参考谱与控制谱的偏差进行内部推力曲线优化迭代，当吻合度高时，以当前量级推力曲线为基础，将振动台推力线性放大3dB对应的倍数，计算出下一量级试验时最优推力输出曲线，进行下一量级试验，直到控制响应达到目标量级，结束试验。若通过现有的试验方式进行控制响应确定，在控制响应产生超差特性时，需要生产新的冲击试验夹具再进行试验尝试，即浪费时间又耗费大量的人力物力。

为解决上述问题，本发明提供一种控制响应的冲击试验仿真方法、装置、设备及介质，通过建立流固耦合动力学仿真模型，在对冲击试验系统模型合理简化的基础上，借鉴振动台逐级加载方式，确定流固耦合动力学仿真模型计算流程，可有效的复现充液状态贮箱在开展低频冲击试验时控制曲线随着载荷量级的增大逐渐表现出非线性超差特性的线性，解决了传统方法中只能依靠单一试验手段进行控制超差特性研究的困境，对控制超差特性的研究提供了更加简洁、方便、高效的数值分析方法，本发明的中对仿真模型的逐级加载方式如图1所示，将加速度载荷加载在仿真模型中获取对应量级的支反力，以当前量级的支反力为基础，以3dB量级逐级递增的方式进行加载，直到加载的支反力达到目标量级，结束加载，提取模型中的加速度响应作为仿真控制响应。接下来进行详细说明。

图2为本发明提供的一种控制响应的冲击试验仿真方法流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤201：获取火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型和冲击试验中目标上一量级对应的控制加速度响应。

可以利用PROE、UG、Solidworks等三维建模软件根据冲击试验系统的组成进行几何建模。结合图3进行说明，冲击试验系统包括振动台1、夹具2、贮箱壳体3和壳内水域4等四部分关键部件，为简化结构，需要对构建的冲击系统各部件的几何模型进行简化，去掉几何模型中夹具的倒角、振动台的螺栓孔等局部细节，将振动台、夹具和壳内水域设置为实体特征，贮箱壳体设置为片体特征，导出几何模型文件。其中振动台用于为试验提供冲击载荷，振动台可施加的最大时域冲击载荷为100g。

以满充液状态椭球形贮箱半冲击试验为例，试验过程中以3dB量级逐级递增的方式进行加载，试验量级与对应的控制加速度响应峰值的对应关系如表1所示，试验量级的初始量级为-18dB，以3dB量级逐级递增，直到达到满量级0dB，表1中示出了各试验量级对应的控制加速度响应峰值，试验量级递增倍数与控制加速度响应的放大倍数相对应，如：量级递增3dB，加速度曲线整体放大1.4倍，放大倍数以及递增倍数可以根据需求设定。在进行充液贮箱的冲击试验时，在低量级冲击载荷作用下，贮箱内液体晃动惯性力较小，此时试验控制精度较高，随着试验量级的提升，流体影响成分占比逐渐增大，超过某一试验量级时，液体晃动惯性作用于试验夹具，会导致在该量级试验时，控制曲线存在超差特性。本发明可以对任意一量级对应的控制响应进行仿真。

表1 低频冲击试验时逐级加载方式的试验量级和控制加速度响应对应表

步骤202：基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型。

将冲击试验各部件的几何模型文件导入到Ansys、Abaqus等数值仿真软件中，建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型，具体步骤包括：

确定贮箱壳体、夹具和振动台的材料本构模型并进行网格划分得到贮箱壳体的壳单元、夹具的体单元和振动台的体单元；

具体的，贮箱壳体、夹具和振动台三个部件结构的材料本构模型选用双线性弹塑性本构模型，材料物理力学特征包含密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等参数；在仿真软件中对贮箱壳体、夹具和振动台的几何模型进行网格划分，将振动台和夹具模型离散为拉格朗日体单元，贮箱壳体模型离散为壳单元。

确定壳内水域的材料本构模型并将壳内水域离散为SPH粒子；

具体的，壳内水域的材料本构模型选用US-UP本构模型，材料物理学特征包括密度、声速、动力粘度等参数。在仿真软件中将壳内水域模型离散为SPH粒子。

分别在壳单元与夹具的体单元的连接处、所述振动台的体单元与夹具的体单元的连接处以及SPH粒子与壳单元的耦合处添加边界条件，得到冲击试验的流固耦合动力学仿真模型。

具体的，在仿真软件中，在贮箱壳体与夹具连接处采用MPCbeam约束来模拟螺栓连接关系，在夹具与振动台连接处采用tie约束，在壳内水域与贮箱壳体之间设置全耦合接触，通过在振动台底部加载来模拟振动台推力作用，同时约束振动台底部除加载方向以外的其他方向自由度。

步骤203：基于目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力。示例性的，参见表1，如果目标量级为-3dB，对应的控制加速响应峰值为21.24g，则目标上一量级为-6dB，对应的控制加速度响应峰值为15.04g。

作为一种可选的方式，所述基于目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力包括：

将目标上一量级对应的控制加速度响应加载在流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件底部，并通过双向流固耦合方法计算得到初始仿真数据；

在对流固耦合动力学仿真模型加载载荷并进行双向流固耦合计算时，需要先进行以下设置：

求解器设置：在仿真软件中设置求解方法为显式动力学算法，该算法采用动力学方程的差分格式，不用直接求解刚度矩阵，不需要进行平衡迭代，计算速度快，对于材料的大变形和非线性的求解有较好的模拟，同时设置计算时长与试验时长保持一致。

载荷加载方式设置：载荷加载方式为将外载荷以集中力或加速度的形式加载在振动台底部。

结果输出设置：设置求解结果存储步长与试验数据采集间隔相同。

提交计算设置：在仿真软件中，设置计算所需线程数，并行计算，然后等待迭代计算至收敛。

作为一种可选的方式，所述将目标上一量级对应的控制加速度响应加载在流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件底部，并通过双向流固耦合计算得到初始仿真数据包括：

基于施加的目标上一量级对应的控制加速度响应，采用显式动力学求解方法对流固耦合动力学仿真模型中的振动台、夹具和贮箱壳体进行动力学仿真计算，得到有限单元节点的状态量；有限单元节点的状态量包括节点加速度、节点速度以及位移等；

具体的，双向流固耦合计算采用光滑粒子流体动力学方法SPH和有限单元法FEM耦合的计算方法进行自动迭代计算。首先将振动台、夹具和贮箱壳体系统离散为有限个相互连接且又互不重叠的有限元FEM单元，通过公式（1）可计算得到加速度或支反力等外载荷作用于滑台底部时，载荷通过夹具传递给贮箱壳体结构时引起的FEM单元节点位移，在外载荷作用下，FEM单元节点上的运动方程如公式（1）所示：

（1）

其中，

为系统节点加速度矢量，/>

为系统节点速度矢量，/>

为系统节点位移矢量，/>

为时间，/>

为系统的质量矩阵，/>

为系统的阻尼矩阵，/>

为系统的刚度矩阵，/>

为系统的节点载荷矢量。

基于有限单元节点与流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子的相对距离，计算得到所述贮箱壳体与所述流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子之间耦合面的接触力。

具体的，壳内水域的每一个SPH粒子，在给定光滑半径范围内，搜索与之相邻的FEM单元节点，通过每个FEM单元的表面法向量及边界处SPH粒子的位置，计算出SPH粒子与FEM单元面之间的距离然后通过罚函数法计算出接触力，并将接触力作为外力施加给边界处的SPH粒子，SPH粒子所受法向接触力

和切向接触力/>

可分别由公式（2）和公式（3）计算所得：

（2）

（3）

其中，

为刚度因子，/>

为SPH粒子在FEM单元上的穿透深度，/>

为表示SPH粒子在FEM单元上的外向法线单位矢量，/>

为边界处FEM单元节点的位移，/>

为边界处SPH粒子的速度，/>

为时间。

基于耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到仿真数据。

基于耦合面的接触力对有限单元节点的状态量进行更新，具体的，对于FEM单元来讲，接触力也作为外力分配到FEM节点上进行动力的计算，通过公式（4）可得到每个FEM单元节点的受力

，如公式（4）所示：

（4）

其中，

为SPH粒子与FEM单元面的接触点相对于三角形单元面的重心坐标。

对每个FEM单元节点的受力

进行矢量求和，从而得到整个FEM单元节点所受到的总接触力，根据FEM单元节点所受到的总接触力，计算并更新FEM单元节点的位置和状态量。

基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量具体为，在某时刻，每个SPH粒子所受到的力有内力和外力两种，内力主要有流体内部因压力差而产生的压力和粒子之间因速度差而产生的粘滞力，外力则是流体自身的重力以及流体的表面张力，根据公式（5）求得SPH粒子在这一时刻的加速度

，如公式（5）所示：

（5）

其中，

为流体密度，/>

表示流体内部压力，/>

为动力粘度系数，/>

为流体速度，/>

为流体所受到的外力。

根据SPH粒子的加速度计算得到SPH粒子的速度，然后更新SPH粒子下一个时间步到达的位置和其它状态量。

每一时间步中SPH粒子的求解和FEM单元的求解均达到收敛之后，将求解结果写入ODB数据库文件，求解结果包含对应时间步载荷下的结构响应：位移、速度、加速度、应力和应变等，控制响应：加速度，液体运动：位移、速度、加速度、压力等。

随着计算时间步的递增，更新状态后的SPH粒子在给定光滑半径范围内，搜索与之相邻的更新状态后的FEM单元节点，判断是否满足接触条件，若满足，则考虑SPH粒子和FEM单元耦合面接触力对SPH粒子和FEM单元进行计算和更新，如果不满足接触条件，则仅进行SPH粒子和FEM单元自身的计算和更新，不考虑SPH粒子和FEM单元耦合面接触力对SPH粒子和FEM单元的影响。

当时间步长达到设置的时间上限，结束计算，此时ODB数据库文件将包含整个计算时间段内系统的响应信息。为进行区分，以加速度载荷形式进行加载，通过双向流固耦合方法计算得到初始仿真数据，提取初始仿真数据中振动台部件底部的支反力并对振动台部件底部的支反力线性放大预设倍数，即可得到所需目标量级对应的支反力，预设倍数是目标量级对应的控制响应与目标上一量级对应的控制响应的比值。由于实际的冲击试验是采用推力方式进行加载，为了对冲击试验进行实际仿真，本方法同样以集中力载荷方式对流固耦合动力学仿真模型进行加载，通过仿真得到控制响应，由于无法测量试验中的推力大小，因此采用对流固耦合动力学仿真模型施加控制加速度响应的方式求解得到所需的支反力，上述方式考虑了夹具受到液体的惯性力的作用，求得的结果更加准确。

步骤204：将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据。

作为一种选择的方式，所述将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据，包括：

基于施加的所述目标量级对应的支反力，采用显式动力学求解方法对流固耦合动力学仿真模型中的振动台、夹具和贮箱壳体进行动力学仿真计算，得到有限单元节点的状态量；所述有限单元节点的状态量至少包括节点位移和节点加速度；

基于所述有限单元节点与所述流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子的相对距离，计算得到所述贮箱壳体与所述SPH粒子之间耦合面的接触力；

基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到仿真数据。

所述基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到仿真数据，包括：

基于所述耦合面的接触力计算得到有限单元各节点所受到的力并进行矢量求和计算，得到有限单元节点受到的总接触力；

根据所述有限单元节点受到的总接触力，确定新的有限单元节点的状态量；

基于所述耦合面的接触力，计算得到SPH粒子的加速度；

根据所述SPH粒子的加速度，计算得到SPH粒子的位置和状态量。

通过在流固耦合动力学仿真模型中振动台部件底部施加支反力，进行双向流固耦合方法计算得到仿真数据的步骤与步骤103中施加加速度响应进行仿真计算得到初始仿真数据的步骤中仅加载的载荷类型不同，其余方法过程均相同，在此不做赘述。

步骤205：提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应。

图4到图9示出了通过本方法得到的控制响应和试验得到的控制响应，其中图4为-6dB量级下试验得到的控制响应曲线图，图5为-6dB量级下仿真得到的控制响应曲线图，如图4和图5所示，二者得到的控制响应曲线均在容差线内，且产生最大幅值的时间均为0.06s，最大幅值均为14.6g左右，其余时间内的幅值变化情况也大致相同；图6为-3dB量级下试验得到的控制响应曲线图，图7为-3dB量级下仿真得到的控制响应曲线图，如图6和图7所示，二者得到的控制响应曲线中仿真曲线仅在0.07s处超出容差线一点，二者产生最大幅值的时间均为0.06s，最大幅值均为20.6g左右，其余时间内的幅值变化情况大致相同；图8为0dB量级下试验得到的控制响应曲线图，图9为0dB量级下仿真得到的控制响应曲线图，如图8和图9所示，二者均存在超差现象，仿真得到的曲线超差峰值为22.37g，与试验得到的曲线的超差峰值25.57g相近。因此，在不同量级载荷作用下，本控制响应的冲击试验仿真方法具有良好的试验特征现象复现能力，可以较准确的仿真出控制响应。

作为一种可选的方式，提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应，之后还包括：

判断所述仿真控制响应是否超过容差线，若所述仿真控制响应超过容差线则对所述夹具部件的结构参数进行更改，确保最终仿真控制响应处于容差线内，指导了夹具设计。

基于同样的思路，本发明还提供一种控制响应的冲击试验仿真装置。如图10所示，所述装置可以包括：

几何模型和控制响应获取模块110，用于获取火箭发动机充液贮箱冲击试验中各部件的几何模型和冲击试验中目标上一量级对应的控制加速度响应；

流固耦合动力学仿真模型建立模块120，用于基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型；

目标量级对应的支反力确定模块130，用于基于所述目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力；

目标量级对应的仿真模块140，用于将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据；

仿真控制响应提取模块150，用于提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应。

可选的，所述目标量级对应的支反力确定模块130可以包括：

初始仿真单元，用于将所述目标上一量级对应的控制加速度响应加载在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件底部，并通过双向流固耦合方法计算得到初始仿真数据；

支反力确定单元，用于提取所述初始仿真数据中振动台部件底部的支反力并对所述振动台部件底部的支反力线性放大预设倍数，得到目标量级对应的支反力。

可选的，所述初始仿真单元具体可以用于：

基于施加的所述上一量级对应的控制加速度响应，采用显式动力学求解方法对流固耦合动力学仿真模型中的振动台、夹具和贮箱壳体进行动力学仿真计算，得到有限单元节点的状态量；所述有限单元节点的状态量至少包括节点位移和节点加速度；

基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到初始仿真数据。

可选的，所述火箭发动机充液贮箱冲击试验的部件包括：贮箱壳体，夹具、振动台以及壳内水域，所述流固耦合动力学仿真模型建立模块120具体可以用于：

确定所述贮箱壳体、所述夹具和所述振动台的材料本构模型并进行网格划分得到贮箱壳体的壳单元、夹具的体单元和振动台的体单元；

确定所述壳内水域的材料本构模型并将所述壳内水域离散为SPH粒子；

分别在所述壳单元与所述夹具的体单元的连接处、所述振动台的体单元与所述夹具的体单元的连接处以及所述SPH粒子与所述壳单元的耦合处添加边界条件，得到冲击试验的流固耦合动力学仿真模型。

可选的，所述目标量级对应的仿真模块140具体可以包括：

有限单元法计算单元，用于基于施加的所述目标量级对应的支反力，采用显式动力学求解方法对流固耦合动力学仿真模型中的振动台、夹具和贮箱壳体进行动力学仿真计算，得到有限单元节点的状态量；所述有限单元节点的状态量至少包括节点位移和节点加速度；

耦合面接触力计算单元，用于基于所述有限单元节点与所述流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子的相对距离，计算得到所述贮箱壳体与所述SPH粒子之间耦合面的接触力；

仿真数据计算单元，用于基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到仿真数据。

可选的，所述仿真数据计算单元具体可以用于：

基于所述耦合面的接触力，计算得到SPH粒子的加速度；

可选的，所述装置还包括超差确认模块，具体可以用于：

判断所述仿真控制响应是否超过容差线，若所述仿真控制响应超过容差线则对所述夹具部件的结构参数进行更改。

基于同样的思路，本发明还提供一种控制响应的冲击试验仿真设备。如图11所示，可以包括：

如图11所示，上述处理器可以是一个通用中央处理器（central processingunit，CPU），微处理器，专用集成电路（application-specific integrated circuit，ASIC），或一个或多个用于控制本发明方案程序执行的集成电路。上述通信接口可以为一个或多个。通信接口可使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信。

如图11所示，上述终端设备还可以包括通信线路。通信线路可包括一通路，在上述组件之间传送信息。

如图11所示，存储器可以是只读存储器（read-only memory，ROM）或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器（random access memory，RAM）或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM）、只读光盘（compactdisc read-only memory，CD-ROM）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过通信线路与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。

在具体实现中，作为一种实施例，如图11所示，处理器可以包括一个或多个CPU，如图11中的CPU0和CPU1。

在具体实现中，作为一种实施例，如图11所示，终端设备可以包括多个处理器，如图11中的处理器。这些处理器中的每一个可以是一个单核处理器，也可以是一个多核处理器。

基于同样的思路，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令被运行时，实现：

上述主要从各个模块之间交互的角度对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明实施例可以根据上述方法示例进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

可选的，本发明中的计算机执行指令也可以称之为应用程序代码，本发明对此不作具体限定。

上述本发明揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（digital signal processing，DSP）、ASIC、现成可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、终端、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘（digital video disc，DVD）；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘（solid state drive，SSD）。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述基于所述目标上一量级对应的控制加速度响应确定目标量级对应的支反力，包括：

将所述目标上一量级对应的控制加速度响应加载在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件底部，并通过双向流固耦合方法计算得到初始仿真数据；

提取所述初始仿真数据中振动台部件底部的支反力并对所述振动台部件底部的支反力线性放大预设倍数，得到目标量级对应的支反力。

3.根据权利要求1所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述火箭发动机充液贮箱冲击试验的部件包括：贮箱壳体，夹具、振动台以及壳内水域，所述基于各部件的几何模型建立冲击试验的流固耦合动力学仿真模型，包括：

4.根据权利要求1所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述将所述目标量级对应的支反力施加在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件的底部，并通过双向流固耦合方法计算得到仿真数据，包括：

5.根据权利要求2所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述将所述目标上一量级对应的控制加速度响应加载在所述流固耦合动力学仿真模型中的振动台部件底部，并通过双向流固耦合方法计算得到初始仿真数据，包括：

基于所述有限单元节点与所述流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子的相对距离，计算得到所述贮箱壳体与所述流固耦合动力学仿真模型中SPH粒子之间耦合面的接触力；

6.根据权利要求4所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述基于所述耦合面的接触力计算SPH粒子的位置和状态量，并对有限单元节点的状态量进行更新，得到仿真数据，包括：

基于所述耦合面的接触力，计算得到SPH粒子的加速度；

7.根据权利要求1所述一种控制响应的冲击试验仿真方法，其特征在于，所述提取所述仿真数据中夹具部件底部的加速度信号作为目标量级对应的仿真控制响应，之后还包括：

8.一种控制响应的冲击试验仿真装置，其特征在于，包括：

9.一种控制响应的冲击试验仿真设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现权利要求1~7任一项所述控制响应的冲击试验仿真方法。