[发明专利]一种航天器火工冲击源载荷预示方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器动力学冲击响应技术领域，具体涉及一种航天器火工冲击源载荷预示方法。

背景技术

航天器火工冲击环境是指航天器上火工品起爆产生的冲击载荷作用于主承力结构上的响应，这一响应构成了星载设备的冲击力学环境。航天器火工冲击力学环境是航天器发射和在轨工作过程中经历的最为苛刻的力学环境之一，火工品爆炸引起的材料应力波和结构共振响应能够对含有冲击敏感元器件的仪器设备造成致命损伤，从而导致航天任务的失败。

火工冲击源的定量描述是应用分析模型方法和数值方法进行火工冲击环境预示的前提，是冲击响应预示分析模型的计算输入。航天器火工冲击过程包含复杂的物理现象，其高频、瞬时、高峰值的特点，使得爆炸冲击载荷难以测量；火工品爆炸产生的高温高压载荷与火工品结构及复杂连接结构之间的耦合作用使得爆炸冲击载荷难于计算。因此，火工冲击载荷的确定一直是航天器火工冲击力学环境预示中的一个难题。目前对于火工冲击源的描述方式主要有三种。第一是从能量的观点出发，设法找到冲击源所释放的能量。该方法根据爆炸分离冲击源的能量相似准则，在所有频率上的冲击响应谱按两个不同火工装置所释放的总能量之比换算。第二是以测量的近场冲击响应加速度作为冲击载荷加载。加速度加载一般在结构上尽可能临近火工品的位置安装加速度计，测量近场结构的加速度响应，以此作为载荷源。但是将加速度响应作为载荷施加，从理论上讲并不合理。国内目前的研究表明，采用近场加速度加载进行环境预示的计算效果并不理想。第三是力函数加载。爆炸冲击在周围结构中产生的冲击力载荷是最直接的载荷源。爆炸冲击产生的力载荷无法直接测量，一种方法是反推法，使用这种方法需要反复进行不同参数、不同波形的试算，多次试算仍难以得到真实的载荷力函数。另一种方法是应用Hydrocodes等流固耦合计算程序模拟火工品爆炸的过程，得到火工冲击力函数，但是由于航天器结构的复杂性和爆炸源与航天器结构的耦合作用，火工品爆炸在航天器结构上作用的力函数能否通过数值计算得到近似解，以及如何应用Hydrocodes进行航天器振源结构的分解、有效建模和力函数提取等都是没有解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种航天器火工冲击源载荷预示方法，通过对航天器火工冲击源的建模和分析，解决航天器火工冲击力学环境预示中冲击载荷无法确定的问题。

一种航天器火工冲击源载荷预示方法，所述航天器的结构包括振源系统结构及航天器主结构，振源系统结构包括火工品结构和连接结构，所述火工品结构通过连接结构安装在所述航天器主结构上，火工品结构爆炸时的研究对象为振源系统结构及航天器主结构中的近场结构；所述方法包括如下步骤：

步骤一、确定航天器的分离面：所述连接结构的级数用n表示，火工品结构爆炸后，其中前x级随同火工品结构爆炸从航天器主结构中分离，余下的n-x级保留在航天器主结构中，则第x级与第x+1级之间的界面即为分离面；其中x的取值范围为1到n；

步骤二、对所述振源系统结构和近场结构进行有限元建模，具体为：

S1、建立振源系统结构和近场结构的有限元网格模型；

S2、根据载荷加载后各个结构体所表现出来的材料性质和变形程度，对振源系统结构和近场结构中的各个结构体定义材料本构模型；

S3、根据振源系统结构和近场结构中的各个结构体的材料属性，对结构体定义单元算法；

S4、对振源系统结构和近场结构有限元模型定义符合实际的外载荷及边界约束；

S5、对振源系统结构和近场结构中的各个结构体的接触面定义接触算法；

步骤三、采用Hydrocodes程序求解步骤二建立的有限元模型，在所述分离面处提取力函数，实现对火工冲击源载荷的预示。

本发明具有如下有益效果：

本发明能够模拟火工品中炸药爆炸、火工品断裂以及爆炸应力波传播的细节，能够很好地处理火工品爆炸在结构上引起的耦合作用，从而分析振源特性，对振源力函数进行有效提取，从理论上讲是得到火工冲击振源函数的合理途径。该方法为航天器火工冲击源函数的确定提出了一种可行的途径，为从工程上解决航天器火工冲击的响应预示问题奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的分离面选取示意图；

图3为本发明的点式分离火工冲击源分析模型系统划分；

图4(a)为本发明的“振源系统—近场结构”一体化计算几何模型；图4(b)

为图4(a)的网格模型；