运载火箭振动预示方法研究及软件开发

发布时间：2020-10-10 21:03

　　 运载火箭在飞行过程中面临的激励环境复杂多变,该激励具有随机宽频特性,激励的频率范围涵盖了低、中、高频,会导致箭体结构及内部的设备发生故障。因此对火箭振动响应进行有效预示对保证飞行任务的成功完成具有十分重要的意义。目前振动响应预示的方法众多,但是各种方法游离分散,缺乏有效的系统集成。本文针对这一难题应用PyQt5开发出了一套基于仿真和工程方法的力学环境预测分析系统,将工程预示方法中相似结构外推法及适用于低频振动的有限单元法(FEM)、适用于中频振动的有限元-统计能量分析(FE-SEA)混合法、适用于高频振动的统计能量分析(SEA)方法等理论预示方法集成起来,从整体上提高运载火箭振动响应预示能力。从以往地面试验、经验为主的工程预示模式,转变为理论仿真预示与工程预示并行展开、有机结合的预示模式;从以往分散的预示模式,转变为系统集成模式。具体的工作内容为:1.总结了目前常用的振动响应预示方法及其应用流程。包括以外推法为代表的工程预示方法;适用于低频振动的FEM、边界元方法(BEM)、有限元-边界元(FEA-BEA)混合方法及虚拟激励法(PEM);适用于中频振动的FE-SEA混合法及能量分布分析(EDA);适用于高频振动的SEA方法,并通过算例进行了验证;2.通过Qt Designer设计出软件平台的交互式操作界面;3.采用Python语言使软件平台的界面具备可操作性,使用户在软件平台中操作就可进行振动响应分析。开发的主要流程分四个方面:1)低频分析时借助二次开发将有限元软件MSC PATRAN/NASTRAN与软件平台的操作界面联系起来。用户使用软件平台进行响应预测时,只需在操作界面中设置好参数及边界条件,系统能够自动调用MSC PATRAN/NASTRAN进行随机振动分析,实现参数化建模及流程化仿真分析。2)中频分析时建立软件平台和VA One之间的对接,在软件平台中即可进入VA One软件中建立火箭模型,并应用FE-SEA模块进行中频仿真分析。3)高频分析时将火箭模型分成若干个部段,针对每个部段及整箭模型通过MATLAB编写SEA程序,在软件平台中直接调用该程序进行计算,成功将SEA方法集成到软件平台中。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V475.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究及发展状况
        1.2.1 理论预示方法研究现状
        1.2.2 工程预示方法研究现状
    1.3 力学环境预示系统开发流程
    1.4 论文研究内容及章节安排
2 低频振动问题的响应预示方法
    2.1 有限元方法理论介绍
    2.2 边界元方法理论介绍
    2.3 有限元-边界元混合法
    2.4 虚拟激励法理论介绍
    2.5 本章小结
3 高频振动问题的统计能量分析方法
    3.1 统计能量分析方法的应用流程
    3.2 统计模型的建立
    3.3 模态数目的计算
    3.4 阻尼损耗因子的计算
    3.5 耦合损耗因子的计算
    3.6 输入功率的计算
        3.6.1 点激励源对子系统的输入功率
        3.6.2 分布激励源对子系统的输入功率
    3.7 数值算例
    3.8 本章小结
4 中频振动问题的响应预示方法
    4.1 FE-SEA混合方法
        4.1.1 FE-SEA混合方法的基本理论
        4.1.2 数值算例
    4.2 EDA方法
        4.2.1 EDA方法的基本理论
        4.2.2 数值算例
    4.3 本章小结
5 力学环境预测系统开发
    5.1 PyQt软件简介
    5.2 软件平台简介
        5.2.1 软件平台主界面
        5.2.2 软件平台的构成
    5.3 开发思路
        5.3.1 工程方法预示模块
        5.3.2 理论仿真预示模块
    5.4 操作流程
        5.4.1 工程预示模块
        5.4.2 低频振动问题响应预示模块
        5.4.3 中频振动问题响应预示模块
        5.4.4 高频振动问题响应预示模块
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2835586