一种飞行器级间分离机构的设计方法和系统技术方案

本发明专利技术属于航空航天技术领域，涉及一种飞行器级间分离机构的设计方法和系统，设计方法包括：对飞行器级间分离机构进行优化设计，指导爆炸螺栓的选型，确定出级间分离机构的分离动力源；分离过程的冲击量e，作为设计变量的同时，也作为优化目标，系统通过不断的修正设计变量，实现在满足约束条件的情况下设计出最小的分离过程冲击量。的分离过程冲击量。的分离过程冲击量。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器级间分离机构的设计方法和系统


[0001]本专利技术属于航空航天
，涉及一种飞行器级间分离机构的设计方法和系统。

技术介绍

[0002]飞行器为提高运载能力、增加射程和速度，在起飞到达一定高度后，需要将燃料耗尽的下面级抛离飞行器本体以减轻后续飞行重量，实现抛离这一过程的机构称之为级间分离机构，在工作的过程中需要实现两种功能：在分离前，保证分离部件之间的可靠连接；在分离时，要确保两个分离部件的可靠分离，并要保证在分离的过程中或分离之后，不产生对飞行器本体正常飞行的危害。
[0003]通常在进行级间分离机构设计时，为了保证部件的可靠分离，会使用冗余的级间分离机构，但冗余的级间分离机构会对分离部件造成过量的冲击影响，从而影响飞行器本体的稳定性，需要控制系统和动力系统额外的付出去纠正影响。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：提供一种飞行器级间分离机构的设计方法和系统，可以快速地完成飞行器级间分离机构的精准设计，减少对飞行器本体的额外冲击影响。
[0005]技术方案：
[0006]一种飞行器级间分离机构的设计方法，包括：
[0007]对飞行器级间分离机构进行优化设计，指导爆炸螺栓的选型，确定出级间分离机构的分离动力源；分离过程的冲击量e，作为设计变量的同时，也作为优化目标，系统通过不断的修正设计变量，实现在满足约束条件的情况下设计出最小的分离过程冲击量。
[0008]包括：
[0009]步骤1、定义飞行器级间分离结构优化过程中的设计变量、优化目标和约束条件；其中，设计变量包括：爆炸螺栓的直径、个数和分离过程的冲击量；优化目标为分离过程的冲击量最小；约束条件定义为结构最大应力小于结构材料的许用应力，以及冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度不小于特定值；
[0010]步骤2、优化工具在约束条件限定的优化区域内对优化目标进行优化，优化后的设计变量组成一组新的设计方案，将所述新的设计方案发送给仿真模块M3，接收仿真模块M3反馈的分析结果，判断分析结果，是否满足终止条件，如满足则优化结束，否则根据系统设定的更新方法给出新的设计方案，再次进行结构分析，直到满足终止条件；
[0011]步骤3、对设计方案进行结构仿真分析，从分析结果中提取出优化所需的信息作为分析结果反馈给求解模块M2。
[0012]步骤1包括：
[0013]步骤11、对飞行器级间分离结构优化过程中设计变量的定义；数学表达式如下：
[0014]X＝{n,d,e}；
[0015]其中，X为设计变量组，由3个变量组成：n为爆炸螺栓个数，整型变量；d为爆炸螺栓直径，整型变量，单位为mm；e为分离过程的冲击量，浮点型变量，单位为N.s；
[0016]步骤12、对飞行器级间分离结构优化过程中优化目标的定义；数学表达式如下：
[0017]Min(e)；
[0018]其中，e为分离过程的冲击量，在本系统里e既是设计变量也是优化目标；
[0019]步骤13、对飞行器级间分离结构优化过程中约束条件的定义；数学表达式如下：
[0020]S＝(s1,s2,Δv)；
[0021]其中，S为约束条件，由2部分组成：s1,s2为满足两个舱段在分离前后的结构可靠性，s1为分离前后舱段1的最大应力小于对应结构材料的许用应力，s2为分离前后舱段2的最大应力小于对应结构材料的许用应力；Δv为满足安全分离，冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度。
[0022]步骤3包括：
[0023]步骤31，实现对结构外形的仿真，建立飞行器级间分离结构的三维数模；包括：舱段1的具体尺寸、舱段2的具体尺寸、爆炸螺栓的具体尺寸、螺母的具体尺寸，及舱段1、舱段2、爆炸螺栓、螺母的相对位置；
[0024]步骤32，实现结构承受载荷的定义；包括：位移限制和载荷施加；
[0025]步骤33，实现对结构材料属性的定义；包括舱段1的材料定义、舱段2的材料定义、简化爆炸螺栓和螺母的材料定义；
[0026]步骤34，实现对仿真结构模型单元的定义；包括舱段1的单元定义、舱段2的单元定义、简化爆炸螺栓和螺母的单元定义；
[0027]步骤35，实现结构在定义环境下响应的求解；
[0028]步骤36，实现对分析结果的处理，选取优化过程中关心的响应。
[0029]一种飞行器级间分离机构的设计系统，包括：
[0030]定义模块M1、求解模块M2、仿真模块M3；
[0031]定义模块M1，定义飞行器级间分离结构优化过程中的设计变量、优化目标和约束条件；其中，设计变量包括：爆炸螺栓的直径、个数和分离过程的冲击量；优化目标为分离过程的冲击量最小；约束条件定义为结构最大应力小于结构材料的许用应力，以及冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度不小于特定值；
[0032]求解模块M2，优化工具在约束条件限定的优化区域内对优化目标进行优化，优化后的设计变量组成一组新的设计方案，将所述新的设计方案发送给仿真模块M3，接收仿真模块M3反馈的分析结果，判断分析结果，是否满足终止条件，如满足则优化结束，否则根据系统设定的更新方法给出新的设计方案，再次进行结构分析，直到满足终止条件；
[0033]仿真模块M3，对设计方案进行结构仿真分析，从分析结果中提取出优化所需的信息作为分析结果反馈给求解模块M2。
[0034]定义模块M1包括：设计变量定义模块M11，优化目标定义模块M12和约束条件定义模块M13；
[0035]设计变量定义模块M11，用于对飞行器级间分离结构优化过程中设计变量的定义；数学表达式如下：
[0036]X＝{n,d,e}；
[0037]其中，X为设计变量组，由3个变量组成：n为爆炸螺栓个数，整型变量；d为爆炸螺栓直径，整型变量，单位为mm；e为分离过程的冲击量，浮点型变量，单位为N.s；
[0038]优化目标定义模块M12，用于对飞行器级间分离结构优化过程中优化目标的定义；数学表达式如下：
[0039]Min(e)；
[0040]其中，e为分离过程的冲击量，在本系统里e既是设计变量也是优化目标；
[0041]约束条件定义模块M13，用于对飞行器级间分离结构优化过程中约束条件的定义；数学表达式如下：
[0042]S＝(s1,s2,Δv)；
[0043]其中，S为约束条件，由2部分组成：s1,s2为满足两个舱段在分离前后的结构可靠性，s1为分离前后舱段1的最大应力小于对应结构材料的许用应力，s2为分离前后舱段2的最大应力小于对应结构材料的许用应力；Δv为满足安全分离，冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度。
[0044]仿真模块M3包括：三维数模M31，载荷条件M32，结构材料M33，单元属性M34，分析求解M35，结果处理M36；
[0045]三维数模(M31)，实现对结构外形的仿真，建立飞行器级间分离结构的三维数模；包括：舱段1的具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器级间分离机构的设计方法，其特征在于，包括：对飞行器级间分离机构进行优化设计，指导爆炸螺栓的选型，确定出级间分离机构的分离动力源；分离过程的冲击量e，作为设计变量的同时，也作为优化目标，系统通过不断的修正设计变量，实现在满足约束条件的情况下设计出最小的分离过程冲击量。2.如权利要求1所述的一种飞行器级间分离机构的设计方法，其特征在于，包括：步骤1、定义飞行器级间分离结构优化过程中的设计变量、优化目标和约束条件；其中，设计变量包括：爆炸螺栓的直径、个数和分离过程的冲击量；优化目标为分离过程的冲击量最小；约束条件定义为结构最大应力小于结构材料的许用应力，以及冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度不小于特定值；步骤2、优化工具在约束条件限定的优化区域内对优化目标进行优化，优化后的设计变量组成一组新的设计方案，将所述新的设计方案发送给仿真模块(M3)，接收仿真模块(M3)反馈的分析结果，判断分析结果，是否满足终止条件，如满足则优化结束，否则根据系统设定的更新方法给出新的设计方案，再次进行结构分析，直到满足终止条件；步骤3、对设计方案进行结构仿真分析，从分析结果中提取出优化所需的信息作为分析结果反馈给求解模块(M2)。3.如权利要求2所述的一种飞行器级间分离机构的设计方法，其特征在于，步骤1包括：步骤11、对飞行器级间分离结构优化过程中设计变量的定义；数学表达式如下：X＝{n,d,e}；其中，X为设计变量组，由3个变量组成：n为爆炸螺栓个数，整型变量；d为爆炸螺栓直径，整型变量，单位为mm；e为分离过程的冲击量，浮点型变量，单位为N.s；步骤12、对飞行器级间分离结构优化过程中优化目标的定义；数学表达式如下：Min(e)；其中，e为分离过程的冲击量，在本系统里e既是设计变量也是优化目标；步骤13、对飞行器级间分离结构优化过程中约束条件的定义；数学表达式如下：S＝(s1,s2,Δv)；其中，S为约束条件，由2部分组成：s1,s2为满足两个舱段在分离前后的结构可靠性，s1为分离前后舱段1的最大应力小于对应结构材料的许用应力，s2为分离前后舱段2的最大应力小于对应结构材料的许用应力；Δv为满足安全分离，冲击后舱段1和舱段2沿分离方向的相对速度。4.如权利要求2所述的一种飞行器级间分离机构的设计方法，其特征在于，步骤3包括：步骤31，实现对结构外形的仿真，建立飞行器级间分离结构的三维数模；包括：舱段1的具体尺寸、舱段2的具体尺寸、爆炸螺栓的具体尺寸、螺母的具体尺寸，及舱段1、舱段2、爆炸螺栓、螺母的相对位置；步骤32，实现结构承受载荷的定义；包括：位移限制和载荷施加；步骤33，实现对结构材料属性的定义；包括舱段1的材料定义、舱段2的材料定义、简化爆炸螺栓和螺母的材料定义；步骤34，实现对仿真结构模型单元的定义；包括舱段1的单元定义、舱段2的单元定义、
简化爆炸螺栓和螺母的单元定义；步骤35，实现结构在定义环境下响应的求解；步骤36，实现对分析结果的处理，选取优化过程中关心的响应。5.一种飞行器级间分离机构的设计系统，其特征在于，包括：定义模块(M1)、求解模块(M2)、仿真模块(M3)；定义模块(M1)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊思思，段鹏飞，曹军伟，袁成，陈黎，高书亮，
申请(专利权)人：中国航空研究院，
类型：发明
国别省市：