CN117010094A - 卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统 - Google Patents

卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统，步骤S1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括：赋予质量特性参数以及创建安装点特征；步骤S2：计算单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数，基于所述单机参数构建并导出单机参数表；步骤S3：根据单机参数表一键完成卫星所有单机的建模。本发明可以极大提高卫星结构有限元模型单机建模的自动化程度和准确度，提升卫星型号研制过程中结构模块前期的迭代效率。

Description

卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星结构有限元模型建模技术领域，具体地，涉及卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统。
背景技术
在卫星结构有限元模型创建过程中，单机建模通常由质量点单元和刚性约束单元的创建组成。以四安装点单机为例，质量点单元的创建需要从Creo软件中获取单机质心坐标Xc、Yc、Zc，质量M，转动惯量Ixx、Iyy、Izz和惯性积Ixy、Ixz、Iyz，刚性约束单元的创建需要依次从Creo软件中获取第一安装点坐标X1、Y1、Z1，第二安装点坐标X2、Y2、Z2，第三安装点坐标X3、Y3、Z3和第四安装点坐标X4、Y4、Z4，两类单元共需从Creo软件获取22个参数，通常，这些参数手动获取的过程是十分繁琐、效率低并且容易出错。
在Hypermesh软件中，质量点单元的创建相对容易，除了输入参数多之外不存在其它技术难点，而刚性约束单元的创建则较为复杂，除了输入参数多之外还存在刚性约束单元附属节点查找的难点，即如何在结构板众多的节点中准确快速的查找单机安装点所对应的节点，手动做法是利用单机安装点坐标值在有限元模型中创建临时参考节点，然后在结构板中查找与临时参考节点距离大致最小的节点，刚性约束单元创建完成之后再将上述临时参考节点删除。由此可见，整个附属节点的查找过程同样十分繁琐、效率低、准确度不高。此外，一颗卫星单机数量往往大于20台，在卫星结构有限元模型创建过程中，质量点单元和刚性约束单元的创建次数通常大于20次，由此可见，传统的单机建模方法不仅耗费大量时间，准确度也不高。
在Creo软件中，本发明基于MFC框架，开发了卫星单机参数导出插件，一键导出卫星单机参数表，解决了卫星单机建模参数获取繁琐、容易出错的问题；
在Hypermesh软件中，本发明基于TCL语言，开发了卫星单机批量建模插件，以卫星单机参数表为输入，一键完成卫星所有单机的建模，解决了单机建模过程繁琐、尤其是刚性约束单元附属节点查找准确度低的问题。
卫星单机批量建模插件自动输出单机刚性约束单元附属节点ID编号，解决了附属节点ID编号手动统计效率低、容易出错的问题，提高了卫星结构有限元分析后处理环节的效率。
专利文献CN107066676A（申请号：201710036935.9）公开了一种基于卫星板壳结构的有限元自动化建模方法，针对卫星板壳结构的特点，以国内航天领域的主流有限元建模软件MSC.Patran为平台，采用PCL语言编程开发了有限元自动建模系统。该方法包括一下步骤：(1)模型导入；(2)模型编辑；(3)网格划分；(4)材料/单元属性设置；(5)载荷/边界/初始条件设置；(6)提交分析计算。该文献着重于卫星结构板自动化仿真流程，未涉及卫星单机的批量建模。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星结构有限元模型单机批量建模方法及系统。
根据本发明提供的一种卫星结构有限元模型单机批量建模方法，包括：
步骤S1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括：赋予质量特性参数以及创建安装点特征；
步骤S2：计算单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数，基于所述单机参数构建并导出单机参数表；
步骤S3：根据单机参数表一键完成卫星所有单机的建模。
优选地，所述步骤S1采用：
步骤S1.1：根据单机接口数据单在Creo软件中定义单机的质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S1.2：在单机安装面安装脚通孔中心建立点特征。
优选地，所述步骤S2采用：
步骤S2.1：计算单机本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S2.2：基于单机本体坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S2.3：读取单机安装点特征，并计算单机本体坐标系下安装点坐标；基于单机本体坐标系下安装点坐标计算卫星基准坐标系下单机安装点坐标。
优选地，所述单机参数表包括：模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
优选地，所述步骤S3采用：
步骤S3.1：基于单机参数表创建单机质量点单元；
步骤S3.2：基于单机参数表创建刚性约束单元。
优选地，所述步骤S3.1采用：
步骤S3.1.1：读取单机参数表获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；
步骤S3.1.2：根据质心坐标创建质心节点；
步骤S3.1.3：根据单机质量、转动惯量、惯性积创建质量点单元；
步骤S3.1.4：将质量点单元分配到质心节点。
优选地，所述步骤S3.2采用：
步骤S3.2.1：读取单机参数表获取对应单机安装点坐标；
步骤S3.2.2：根据安装点坐标在结构板中查找附属节点；
步骤S3.2.3：在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元；
所述附属节点是在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
根据本发明提供的一种卫星结构有限元模型单机批量建模系统，包括：
模块M1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括：赋予质量特性参数以及创建安装点特征；
模块M2：计算单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数，基于上述单机参数构建并导出单机参数表；
模块M3：根据单机参数表一键完成卫星所有单机的建模。
优选地，所述模块M2采用：
模块M2.1：计算单体本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
模块M2.2：基于单体本体坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积；
模块M2.3：读取单机安装点特征，并计算单机本体坐标系下安装点坐标；基于单机本体坐标系下安装点坐标计算卫星基准坐标系下单机安装点坐标；
所述单机参数表包括：模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
优选地，所述模块M3采用：
模块M3.1：基于单机参数表创建单机质量点单元；
模块M3.2：基于单机参数表创建刚性约束单元；
所述模块M3.1采用：
模块M3.1.1：读取单机参数表获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；
模块M3.1.2：根据质心坐标创建质心节点；
模块M3.1.3：根据单机质量、转动惯量、惯性积创建质量点单元；
模块M3.1.4：将质量点单元分配到质心节点；
所述模块M3.2采用：
模块M3.2.1：读取单机参数表获取对应单机安装点坐标；
模块M3.2.2：根据安装点坐标在结构板中查找附属节点；
模块M3.2.3：在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元；
所述附属节点是在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明解决了卫星单机建模参数获取繁琐、容易出错的问题；
2、本发明解决了卫星单机建模过程繁琐、尤其是刚性约束单元附属节点查找准确度低的问题；
3、本发明解决了附属节点ID编号手动统计效率低、容易出错的问题；
4、本发明提高了卫星结构有限元模型单机建模的自动化程度和准确度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为卫星结构有限元模型单机批量建模方法流程图。
图2为卫星单机批量建模插件使用界面示意图。
图3为卫星单机批量建模插件附属节点ID编号输出示意图。
图4为卫星单机参数表示意图。
图5为卫星结构有限元模型单机批量建模结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
根据本发明提供的一种卫星结构有限元模型单机批量建模方法，如图1至5所示，包括：
步骤1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括赋予质量特性参数、创建安装点特征；
步骤2：利用卫星单机参数导出插件，一键导出单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数表；
步骤3：以单机参数表为输入，利用卫星单机批量建模插件，一键完成卫星所有单机的建模。
具体地，所述卫星单机参数导出插件是在Creo软件中，基于MFC框架开发了卫星单机参数导出插件；
所述卫星单机批量建模插件是在Hypermesh软件中，基于TCL语言开发了卫星单机批量建模插件。
本发明可以极大提高卫星结构有限元模型单机建模的自动化程度和准确度，提升卫星型号研制过程中结构模块迭代效率。
具体的，本发明提供了卫星结构有限元模型单机批量建模方法。该方法包括对单机模型进行相关预处理：赋予质量特性参数及创建安装点特征；
所述赋予质量特性参数，具体步骤为：根据单机接口数据单，获取单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积，在Creo软件中直接定义单机的质量特性参数。
所述创建安装点特征，具体步骤为：在单机安装面安装脚通孔中心，依次建立点特征，命名规则为螺钉规格 +“_”+ 螺钉编号，以四安装点且螺钉规格为M4的单机为例：点特征名称依次为M4_1、M4_2、M4_3和M4_4。
所述卫星单机参数导出插件主要功能是单机质量特性参数计算、单机安装点坐标计算以及单机参数表导出。
所述质量特性参数计算具体过程包括：（1）计算单机本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；（2）坐标变换，计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积。
所述单机安装点坐标计算具体过程包括：（1）读取单机安装点特征；（2）计算单机本体坐标系下安装点坐标；（3）坐标变换，计算卫星基准坐标系下的单机安装点坐标。
所述单机参数表为Excel格式文件，参数表头依次为序号、模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
所述卫星单机导出插件是指具备一键计算并导出卫星单机质量特性参数和安装点坐标功能的程序，该功能并不限于Creo软件，其它三维结构设计软件例如SolidWorks
、UG和Catia均可。
所述卫星单机批量建模插件主要功能是一键实现卫星所有单机质量点单元创建、刚性约束单元创建以及刚性约束单元附属节点ID编号输出。
所述单机质量点单元创建具体过程包括：（1）读取单机参数表，获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；（2）创建质心节点；（3）创建质量点单元；（4）赋予质量点单元。
所述刚性约束单元创建具体过程包括：（1）读取单机参数表，获取对应单机安装点坐标；（2）根据安装点坐标，在结构板中查找附属节点；（3）在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元。
所述附属节点是指在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
所述单机刚性约束单元附属节点ID编号输出形式为txt文件，第一列为单机名称，第二列为附属节点id编号。
所述卫星单机批量建模插件是指以单机参数表为输入，具备一键实现卫星所有单机质量点单元创建、刚性约束单元创建以及刚性约束单元附属节点ID编号输出功能的程序，该功能并不限于Hypermesh软件，其它CAE软件例如Abaqus和Partan均可。
根据本发明提供的一种卫星结构有限元模型单机批量建模系统，如图1至5所示，包括：
模块1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括赋予质量特性参数、创建安装点特征；
模块2：利用卫星单机参数导出插件，一键导出单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数表；
模块3：以单机参数表为输入，利用卫星单机批量建模插件，一键完成卫星所有单机的建模。
具体地，所述卫星单机参数导出插件是在Creo软件中，基于MFC框架开发了卫星单机参数导出插件；
所述卫星单机批量建模插件是在Hypermesh软件中，基于TCL语言开发了卫星单机批量建模插件。
本发明可以极大提高卫星结构有限元模型单机建模的自动化程度和准确度，提升卫星型号研制过程中结构模块迭代效率。
具体的，本发明提供了卫星结构有限元模型单机批量建模方法。该方法包括对单机模型进行相关预处理：赋予质量特性参数及创建安装点特征；
所述赋予质量特性参数，具体为：根据单机接口数据单，获取单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积，在Creo软件中直接定义单机的质量特性参数。
所述创建安装点特征，具体为：在单机安装面安装脚通孔中心，依次建立点特征，命名规则为螺钉规格 +“_”+ 螺钉编号，以四安装点且螺钉规格为M4的单机为例：点特征名称依次为M4_1、M4_2、M4_3和M4_4。
所述卫星单机参数导出插件主要功能是单机质量特性参数计算、单机安装点坐标计算以及单机参数表导出。
所述质量特性参数计算具体过程包括：（1）计算单机本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；（2）坐标变换，计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积。
所述单机安装点坐标计算具体过程包括：（1）读取单机安装点特征；（2）计算单机本体坐标系下安装点坐标；（3）坐标变换，计算卫星基准坐标系下的单机安装点坐标。
所述单机参数表为Excel格式文件，参数表头依次为序号、模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
所述卫星单机导出插件是指具备一键计算并导出卫星单机质量特性参数和安装点坐标功能的程序，该功能并不限于Creo软件，其它三维结构设计软件例如SolidWorks
、UG和Catia均可。
所述卫星单机批量建模插件主要功能是一键实现卫星所有单机质量点单元创建、刚性约束单元创建以及刚性约束单元附属节点ID编号输出。
所述单机质量点单元创建具体过程包括：（1）读取单机参数表，获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；（2）创建质心节点；（3）创建质量点单元；（4）赋予质量点单元。
所述刚性约束单元创建具体过程包括：（1）读取单机参数表，获取对应单机安装点坐标；（2）根据安装点坐标，在结构板中查找附属节点；（3）在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元。
所述附属节点是指在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
所述单机刚性约束单元附属节点ID编号输出形式为txt文件，第一列为单机名称，第二列为附属节点id编号。
所述卫星单机批量建模插件是指以单机参数表为输入，具备一键实现卫星所有单机质量点单元创建、刚性约束单元创建以及刚性约束单元附属节点ID编号输出功能的程序，该功能并不限于Hypermesh软件，其它CAE软件例如Abaqus和Partan均可。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括：赋予质量特性参数以及创建安装点特征；
步骤S2：计算单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数，基于所述单机参数构建并导出单机参数表；
步骤S3：根据单机参数表一键完成卫星所有单机的建模。
2.根据权利要求1所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述步骤S1采用：
步骤S1.1：根据单机接口数据单在三维结构设计软件中定义单机的质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S1.2：在单机安装面安装脚通孔中心建立点特征。
3.根据权利要求1所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述步骤S2采用：
步骤S2.1：计算单机本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S2.2：基于单机本体坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积；
步骤S2.3：读取单机安装点特征，并计算单机本体坐标系下安装点坐标；基于单机本体坐标系下安装点坐标计算卫星基准坐标系下单机安装点坐标。
4.根据权利要求1所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述单机参数表包括：模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
5.根据权利要求1所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述步骤S3采用：
步骤S3.1：基于单机参数表创建单机质量点单元；
步骤S3.2：基于单机参数表创建刚性约束单元。
6.根据权利要求5所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述步骤S3.1采用：
步骤S3.1.1：读取单机参数表获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；
步骤S3.1.2：根据质心坐标创建质心节点；
步骤S3.1.3：根据单机质量、转动惯量、惯性积创建质量点单元；
步骤S3.1.4：将质量点单元分配到质心节点。
7.根据权利要求5所述的卫星结构有限元模型单机批量建模方法，其特征在于，所述步骤S3.2采用：
步骤S3.2.1：读取单机参数表获取对应单机安装点坐标；
步骤S3.2.2：根据安装点坐标在结构板中查找附属节点；
步骤S3.2.3：在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元；
所述附属节点是在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
8.一种卫星结构有限元模型单机批量建模系统，其特征在于，包括：
模块M1：对卫星单机模型进行相关预处理，包括：赋予质量特性参数以及创建安装点特征；
模块M2：计算单机在卫星基准坐标系下的质量、质心坐标、转动惯量、惯性积和安装点坐标的单机参数，基于上述单机参数构建并导出单机参数表；
模块M3：根据单机参数表一键完成卫星所有单机的建模。
9.根据权利要求8所述的卫星结构有限元模型单机批量建模系统，其特征在于，所述模块M2采用：
模块M2.1：计算单体本体坐标系下质量、质心坐标、转动惯量和惯性积；
模块M2.2：基于单体本体坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积计算卫星基准坐标系下质心坐标、转动惯量和惯性积；
模块M2.3：读取单机安装点特征，并计算单机本体坐标系下安装点坐标；基于单机本体坐标系下安装点坐标计算卫星基准坐标系下单机安装点坐标；
所述单机参数表包括：模型名称、单机名称、单机质量M、单机质心Xc、单机质心Yc、单机质心Zc、转动惯量Ixx、转动惯量Iyy、转动惯量Izz、惯性积Ixy、惯性积Ixz、惯性积Iyz以及单机安装点坐标。
10.根据权利要求8所述的卫星结构有限元模型单机批量建模系统，其特征在于，所述模块M3采用：
模块M3.1：基于单机参数表创建单机质量点单元；
模块M3.2：基于单机参数表创建刚性约束单元；
所述模块M3.1采用：
模块M3.1.1：读取单机参数表获取对应单机质量、质心坐标、转动惯量和惯性积参数；
模块M3.1.2：根据质心坐标创建质心节点；
模块M3.1.3：根据单机质量、转动惯量、惯性积创建质量点单元；
模块M3.1.4：将质量点单元分配到质心节点；
所述模块M3.2采用：
模块M3.2.1：读取单机参数表获取对应单机安装点坐标；
模块M3.2.2：根据安装点坐标在结构板中查找附属节点；
模块M3.2.3：在质心节点与附属节点之间创建刚性约束单元；
所述附属节点是在所有结构板节点中与单机安装点距离最近的节点。
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