火箭总体结构快速评估与优化平台设计
发布时间：2021-06-08 10:37
火箭总体结构设计既要满足给定的技术要求,又要对后续结构详细设计阶段提供准确合理的指标。总体结构方案合理与否将影响总体方案的质量与后续设计环节的工作量。针对火箭总体设计阶段的结构设计流程进行梳理,提出了一套面向总体方案快速论证的结构快速评估与优化设计流程。并提出了与之匹配的基于梁模型的火箭通用结构快速建模方法和等效外载荷边界条件计算方法,并基于此建立了火箭总体结构快速评估与优化设计软件平台,实现自动化火箭结构校核与优化设计。实例测试表明,火箭总体结构快速评估与优化设计平台能够快速评估总体结构方案的可行性并进一步优化结构方案可让原始方案结构质量减轻20%左右,具有一定的准确性与实用性。
【文章来源】：导弹与航天运载技术. 2020,(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
总体结构快速评估优化流程示意Fig.1ProcessofRapidEvaluationandOptimizationofRocketOverallStructure2火箭有限元模型通用建模方法
由于常规火箭外形为旋成体，故火箭箭体可以简化为由多个圆台连接而成，从而火箭各部段可以统一按照圆台结构进行通用离散化建模处理。通过火箭原始外形数据可以获得定义各个圆台几何外形所需的几何参数并定义坐标系。基于多个圆台的数据，进一步将当前部段离散成n段小空心圆柱段（以下简称“小段”），通过小段与当前部段总体积之比可以得到每个小段对应的质量和转动惯量信息，并将其均分至小段两端站点处。小段的内外径信息通过插值与圆筒体积公式求得。上述过程以及圆台离散前形貌与离散后的站点分布如图2所示。每个圆台的每个离散点将作为有限元模型的节点。每个圆台的第i个部段站点信息向量如式（1）所示。图2火箭结构简化与离散化过程示意Fig.2ProcessofSimplificationandDiscrtizationofRocketStructureiiiiiiiiiixyzglusmRD（1）式中ix，iy，iz为第i个站点坐标信息；ig为第i个站点号；iu为第i个站点性质标号（结构/液体质量点等）；il为第i个站点位置布局标号（芯级/助推布局）；is为第i个节点所对应火箭级数；im为第i个节点处分配到的当前部段结构离散质量；iR为第i个节点位置处对应对的结构半径。得到全部n个部段站点信息向量后，将其组装成完整的部段站点信息矩阵iB：TTTTT123inBDDDD（2）2.2构建全箭站点信息矩阵为了防止装配后的矩阵出现冗余信息，需对iB进行如下处理：对于1B只保留其前n-1行站点信息向量得到1B，第2~(m-1)个iB中首行站点信息向量需继承iB中第n行站点信息向量中相关信息，并保留前n-1行，得到iB。对mB只需首行向量中继承m1B中第
4量矩所平即中纵量M式中箱内2.4捆绑式如CB图3Fig.3Dis位于贮箱柱矩阵中横向质平均分配到的eim为0。位于纵向质量M1122，M33同柱中eim为贮箱内所有的液体构建连接结对于捆绑火绑火箭的主承如图4所示。a）主承力处图Fig.4TwoMoUSH—三相阻尼弹主承力节点3贮箱部分液stributionofLiq柱段部分的附质量（M22，M3的这个站点液于贮箱后底的为当前贮箱所柱段站点形式eieimm箱内液体燃料体质量。结构站点矩阵火箭，还需要承力节点和非处连接结构4两种连接odelingApproa弹簧器单元；RBE点一般采用球体质量站点示意quidMassPoints附加液体质量33）为当前贮液体分配质量，的附加液体质所有液体质量，如式（5）000eim料均分质量；阵要建立芯级-助非主承力节点对b）非主承力方式建模示意chesofConnect2—刚性连接单元球头转动副连接导弹与意sinTank的站点，其质箱内液体质量纵向质量M质量的站点，其量之和，横向质所示。（5）eim为当前贮助推连接模型对应的建模方力处连接结构tionStructure元；ROD—杆单元接传递助推的航天运载技质量11，其质贮型。方元的轴向载助推的拟刚性束所有采用“节点建各连接对所示连式中站点号第i个按数以判方式。3火火发动机采用一以适应在求解3.1过过通过全式中yn，zn表重力3.2气通的气动力数据个气动由故按照内的气术载荷。图4
【参考文献】：
期刊论文
[1]通用化液体火箭发动机静态特性仿真平台[J]. 王丹,陈宏玉,周晨初. 火箭推进. 2019(04)
[2]惯性释放原理在航空发动机风扇轴强度分析中的应用[J]. 况成玉,张智轩. 装备制造技术. 2019(02)
[3]液体运载火箭一维纵横扭一体化建模技术[J]. 唐玉花,狄文斌,刘靖华. 宇航学报. 2017(01)
[4]液体运载火箭纵向振动结构动力学模型应用研究[J]. 狄文斌,唐玉花. 强度与环境. 2015(06)
[5]机翼结构重量预测的多学科分析优化方法[J]. 余雄庆,欧阳星,邢宇,王宇. 航空学报. 2016(01)
[6]运载火箭全箭动特性三维建模技术[J]. 王建民,吴艳红,张忠,李海波,韩丽,李双. 中国科学:技术科学. 2014(01)
[7]基于梁模型的火箭纵横扭一体化建模技术[J]. 潘忠文,王旭,邢誉峰,董锴. 宇航学报. 2010(05)
[8]运载火箭动力学建模及振型斜率预示技术[J]. 潘忠文. 中国科学（E辑:技术科学）. 2009(03)
博士论文
[1]具有POGO振动的捆绑火箭建模与姿态控制[D]. 刘佳琦.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]基于梁单元模型的火箭通用化建模与动特性分析[D]. 王勇.国防科学技术大学 2014
[2]捆绑火箭CAD/CAE一体化设计技术研究[D]. 沈重.国防科学技术大学 2013
本文编号：3218268
【文章来源】：导弹与航天运载技术. 2020,(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
总体结构快速评估优化流程示意Fig.1ProcessofRapidEvaluationandOptimizationofRocketOverallStructure2火箭有限元模型通用建模方法
由于常规火箭外形为旋成体，故火箭箭体可以简化为由多个圆台连接而成，从而火箭各部段可以统一按照圆台结构进行通用离散化建模处理。通过火箭原始外形数据可以获得定义各个圆台几何外形所需的几何参数并定义坐标系。基于多个圆台的数据，进一步将当前部段离散成n段小空心圆柱段（以下简称“小段”），通过小段与当前部段总体积之比可以得到每个小段对应的质量和转动惯量信息，并将其均分至小段两端站点处。小段的内外径信息通过插值与圆筒体积公式求得。上述过程以及圆台离散前形貌与离散后的站点分布如图2所示。每个圆台的每个离散点将作为有限元模型的节点。每个圆台的第i个部段站点信息向量如式（1）所示。图2火箭结构简化与离散化过程示意Fig.2ProcessofSimplificationandDiscrtizationofRocketStructureiiiiiiiiiixyzglusmRD（1）式中ix，iy，iz为第i个站点坐标信息；ig为第i个站点号；iu为第i个站点性质标号（结构/液体质量点等）；il为第i个站点位置布局标号（芯级/助推布局）；is为第i个节点所对应火箭级数；im为第i个节点处分配到的当前部段结构离散质量；iR为第i个节点位置处对应对的结构半径。得到全部n个部段站点信息向量后，将其组装成完整的部段站点信息矩阵iB：TTTTT123inBDDDD（2）2.2构建全箭站点信息矩阵为了防止装配后的矩阵出现冗余信息，需对iB进行如下处理：对于1B只保留其前n-1行站点信息向量得到1B，第2~(m-1)个iB中首行站点信息向量需继承iB中第n行站点信息向量中相关信息，并保留前n-1行，得到iB。对mB只需首行向量中继承m1B中第
4量矩所平即中纵量M式中箱内2.4捆绑式如CB图3Fig.3Dis位于贮箱柱矩阵中横向质平均分配到的eim为0。位于纵向质量M1122，M33同柱中eim为贮箱内所有的液体构建连接结对于捆绑火绑火箭的主承如图4所示。a）主承力处图Fig.4TwoMoUSH—三相阻尼弹主承力节点3贮箱部分液stributionofLiq柱段部分的附质量（M22，M3的这个站点液于贮箱后底的为当前贮箱所柱段站点形式eieimm箱内液体燃料体质量。结构站点矩阵火箭，还需要承力节点和非处连接结构4两种连接odelingApproa弹簧器单元；RBE点一般采用球体质量站点示意quidMassPoints附加液体质量33）为当前贮液体分配质量，的附加液体质所有液体质量，如式（5）000eim料均分质量；阵要建立芯级-助非主承力节点对b）非主承力方式建模示意chesofConnect2—刚性连接单元球头转动副连接导弹与意sinTank的站点，其质箱内液体质量纵向质量M质量的站点，其量之和，横向质所示。（5）eim为当前贮助推连接模型对应的建模方力处连接结构tionStructure元；ROD—杆单元接传递助推的航天运载技质量11，其质贮型。方元的轴向载助推的拟刚性束所有采用“节点建各连接对所示连式中站点号第i个按数以判方式。3火火发动机采用一以适应在求解3.1过过通过全式中yn，zn表重力3.2气通的气动力数据个气动由故按照内的气术载荷。图4
【参考文献】：
期刊论文
[1]通用化液体火箭发动机静态特性仿真平台[J]. 王丹,陈宏玉,周晨初. 火箭推进. 2019(04)
[2]惯性释放原理在航空发动机风扇轴强度分析中的应用[J]. 况成玉,张智轩. 装备制造技术. 2019(02)
[3]液体运载火箭一维纵横扭一体化建模技术[J]. 唐玉花,狄文斌,刘靖华. 宇航学报. 2017(01)
[4]液体运载火箭纵向振动结构动力学模型应用研究[J]. 狄文斌,唐玉花. 强度与环境. 2015(06)
[5]机翼结构重量预测的多学科分析优化方法[J]. 余雄庆,欧阳星,邢宇,王宇. 航空学报. 2016(01)
[6]运载火箭全箭动特性三维建模技术[J]. 王建民,吴艳红,张忠,李海波,韩丽,李双. 中国科学:技术科学. 2014(01)
[7]基于梁模型的火箭纵横扭一体化建模技术[J]. 潘忠文,王旭,邢誉峰,董锴. 宇航学报. 2010(05)
[8]运载火箭动力学建模及振型斜率预示技术[J]. 潘忠文. 中国科学（E辑:技术科学）. 2009(03)
博士论文
[1]具有POGO振动的捆绑火箭建模与姿态控制[D]. 刘佳琦.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]基于梁单元模型的火箭通用化建模与动特性分析[D]. 王勇.国防科学技术大学 2014
[2]捆绑火箭CAD/CAE一体化设计技术研究[D]. 沈重.国防科学技术大学 2013
本文编号：3218268
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