基于月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]月球軟著陸技術(shù)是我國探月工程的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為了保障月球探測器上搭載的設(shè)備與人員的安全，使得月球探測器平緩、順利地著陸在月球表面，必須對月球軟著陸過程進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)分析與研究。
[0003]月球探測器進(jìn)入月球軌道，將經(jīng)歷動(dòng)力下降段，在其末段，月球探測器會(huì)從約4m的高度自由降落到月球表面。在著陸沖擊過程中，月球探測器需要經(jīng)歷一個(gè)瞬態(tài)沖擊載荷，能否經(jīng)受得住這一力學(xué)環(huán)境是軟著陸能否成功的關(guān)鍵。因此有必要在方案設(shè)計(jì)階段就對此環(huán)境做出預(yù)示，以制定設(shè)備的設(shè)計(jì)和測試條件。力學(xué)環(huán)境的預(yù)示一般采用三種方法:試驗(yàn)測試方法、相似結(jié)構(gòu)外推法和數(shù)學(xué)模型預(yù)測法。試驗(yàn)測試的方法需要等到月球探測器初樣階段以后才能進(jìn)行，在方案設(shè)計(jì)階段是不可行的。月球探測器行星著陸任務(wù)在我國深空探測活動(dòng)中尚屬首次，其著陸沖擊段所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測數(shù)據(jù)積累，相似結(jié)構(gòu)外推的方法也是不可行的。因此，要在月球探測器方案設(shè)計(jì)階段預(yù)示其著陸沖擊力學(xué)環(huán)境就需要采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測的方法。
[0004]目前為止，國際上常用的月球探測器數(shù)學(xué)模型大致可分為三類:剛體動(dòng)力學(xué)模型、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型和非線性有限元模型。非線性有限元模型能夠很好的考慮月球探測器柔性變形和各種非線性因素的影響，為保證仿真的準(zhǔn)確可靠，優(yōu)選該數(shù)學(xué)模型。
[0005]采用非線有限元模型建模，將考慮月球探測器柔性變形和各種非線性力學(xué)因素，這使得有限元模型的建立過程復(fù)雜。另一方面，月球探測器結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜，由眾多零部件組裝而成，攜帶眾多有效載荷(如高分辨率成像儀、光譜儀等科學(xué)儀器)。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)階段需對月球探測器的某些局部特征尺寸進(jìn)行修改，這將導(dǎo)致有限元模型的重新建立以及各連接件的重新組裝。因此，大型月球探測器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得建模過程繁瑣且易出錯(cuò)，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。為有序高效開展有限元分析工作同時(shí)方便后續(xù)力學(xué)環(huán)境預(yù)示工作，需提出一種合理的組件劃分仿真方法。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，專利CN103678824A提出了一種月球探測器軟著陸動(dòng)力學(xué)的參數(shù)化仿真方法，能夠較快速的進(jìn)行有限元建模、求解計(jì)算及結(jié)果提取。而在進(jìn)行月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析中，需要針對不同組件的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行二次計(jì)算處理，這要求對提取的結(jié)果按特定組件進(jìn)行分組計(jì)算，目前的方法，建模時(shí)的組件劃分的依據(jù)是隨意的，這樣的組件劃分可能與后續(xù)結(jié)果后處理組件分組計(jì)算存在不一致的情況，導(dǎo)致結(jié)果文件管理混亂、造成錯(cuò)誤出現(xiàn)，因而未能方便快速地按組件進(jìn)行結(jié)果處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了方便快速地按組件進(jìn)行月球探測器力學(xué)環(huán)境預(yù)示，提供一種基于月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法。該方法從月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的要求出發(fā)，對復(fù)雜的月球探測器進(jìn)行組件劃分，在組件化分的基礎(chǔ)上完成各組件有限元建模，并自動(dòng)完成組裝、求解計(jì)算，最后按照組件劃分提取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析。該方法建模時(shí)的組件劃分與力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析要求的組件劃分保持一致，因而能避免結(jié)果文件管理混亂的問題，實(shí)現(xiàn)快速一體化的月球探測器力學(xué)環(huán)境預(yù)示。
[0008]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009]—種基于月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法，具體步驟如下:
[0010]步驟1:按照力學(xué)環(huán)境預(yù)示要求進(jìn)行組件劃分。將月球探測器劃分為頂板、側(cè)板、隔板、底板、貯箱、太陽翼、緩沖腿和足墊。
[0011]步驟2:組件的有限元建模。
[0012]步驟2.1:提取步驟1中劃分出的各組件的幾何特征尺寸、組件安裝位置和相鄰組件間的裝配關(guān)系；同時(shí)提取月球土壤的幾何特征尺寸和相鄰組件間的裝配關(guān)系；并將提取的幾何特征尺寸儲(chǔ)存在以各組件名稱命名的配置文件中，將組件安裝位置和裝配信息儲(chǔ)存在裝配配置文件中。
[0013]步驟2.2:建立月球探測器組件及月球土壤的有限元模型:根據(jù)步驟2.1提取的幾何特征尺寸，分別建立頂板、側(cè)板、隔板、底板、貯箱、太陽翼、緩沖腿、足墊和月球土壤的幾何模型；根據(jù)有限元網(wǎng)格控制信息(網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格類型)，對各個(gè)幾何模型劃分有限元網(wǎng)格。然后依次對各個(gè)有限元網(wǎng)格賦予實(shí)際各組件和月球土壤結(jié)構(gòu)對應(yīng)的材料屬性，分別建立各組件及月球土壤的有限元模型。
[0014]步驟3:建立組裝體模型:根據(jù)步驟2.1提取的各個(gè)組件的安裝位置和裝配關(guān)系，將步驟2.2建立的各組件及月球土壤的有限元模型安裝到對應(yīng)位置，然后建立相鄰組件間的連接關(guān)系，形成組裝體模型。
[0015]步驟4:建立仿真工況配置文件，將仿真工況信息(包括月球探測器著陸狀態(tài)的載荷及邊界條件、仿真算法的積分步長和仿真時(shí)間)儲(chǔ)存在仿真工況配置文件。
[0016]步驟5:建立仿真模型:根據(jù)步驟4內(nèi)仿真工況配置文件內(nèi)的仿真信息，在步驟3得到的月球探測器組裝體模型上施加載荷和邊界條件，選擇仿真時(shí)間和積分步長，最終建立有限元軟件的求解器能識(shí)別的輸入文件。
[0017]步驟6:有限元計(jì)算，將步驟5中得到的輸入文件提交給有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，得到仿真結(jié)果文件。
[0018]仿真結(jié)果文件包括有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0019]計(jì)算能通過商業(yè)有限元軟件Abaqus、MSC.Patran、Ansys、HyperWorks中任意一款實(shí)現(xiàn)。
[0020]步驟7:建立力學(xué)環(huán)境預(yù)示后處理配置文件，將組件名稱和需要輸出結(jié)果的有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)寫入該文件中。
[0021]步驟8:有限元結(jié)果提取。打開步驟6得到的仿真結(jié)果文件，根據(jù)步驟7的力學(xué)環(huán)境預(yù)示后處理配置文件提供的輸出節(jié)點(diǎn)編號(hào)及其所在的組件名稱，從步驟6得到的仿真結(jié)果文件中提取對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入以組件名命名的文本文件并降該文件存儲(chǔ)在對應(yīng)工況的文件夾下。
[0022]步驟9:根據(jù)工況的不同，修改步驟4中的仿真工況配置文件，并重復(fù)步驟5到步驟8的過程，直到得到所有工況下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0023]步驟10:著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析，采用加速度的沖擊響應(yīng)譜描述月球探測器的著陸力學(xué)環(huán)境。
[0024]步驟10.1:建立存儲(chǔ)沖擊相應(yīng)譜數(shù)據(jù)的文件夾，并在該文件夾下建立子文件夾，各子文件夾的名稱為步驟1劃分的組件所對應(yīng)的名字。
[0025]步驟10.2:采用遞歸數(shù)字濾波算法將步驟9得到的所有工況下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜，并將相同組件的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在步驟10.1所建立的以組件名字命名的子文件夾中。
[0026]步驟10.3:將步驟10.2得到的同一組件上所有輸出節(jié)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行包絡(luò)，該包絡(luò)即為組件的著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示。
[0027]至此實(shí)現(xiàn)了一種基于月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法，解決了月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示建模過程易錯(cuò)、結(jié)果文件管理混亂的問題。
[0028]有益效果
[0029]本發(fā)明按照月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的要求對復(fù)雜的月球探測器進(jìn)行組件劃分，因而得到的計(jì)算結(jié)果能夠有序存儲(chǔ)；并且建模組件劃分與力學(xué)環(huán)境預(yù)示分析要求的組件劃分保持一致，避免了結(jié)果文件管理混亂的問題。因此，使用該發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)快速一體化的月球探測器力學(xué)環(huán)境預(yù)示，進(jìn)而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的基于月球探測器著陸力學(xué)環(huán)境預(yù)示的組件劃分仿真方法流程