基于模型降阶的运载火箭全箭模态试验等效仿真加速方法与流程

本技术涉及模型降阶，具体涉及一种基于模型降阶的运载火箭全箭模态试验等效仿真加速方法。

背景技术：

1、运载火箭在飞行过程中会经历推进剂消耗、发动机工作状态变化和级间状态变化，不同飞行时刻对应不同的箭体质量分布和结构动力学特性。全箭模态试验能够获得模态频率、振型和阻尼等参数，并可用于校核全箭有限元模型。受试验周期、试验构型和边界模拟条件限制，全箭模态试验通常难以覆盖全部工作秒态，因而需要利用校核后的有限元建模方式对其他工作秒态进行等效仿真。

2、全箭有限元模型具有大量自由度。进行频率响应分析时，每个采样频率均需要求解由质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵形成的动力学方程。输出频率增多或者工作秒态增多后，全阶扫频的计算量随之增加。现有技术可采用模态截断、子结构模态综合或者krylov子空间方法降低模型维数，并利用降阶模型计算频率响应。

3、现有模型降阶方法通常侧重降低动力学方程的求解规模。在运载火箭结构复杂、分析频率数量较多的情况下，降阶过程中保留的有限模态信息可能不足以准确反映全部频率响应特征，进而影响降阶结果与全箭模态试验结果的等效比较。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于模型降阶的运载火箭全箭模态试验等效仿真加速方法，用于解决现有模型降阶过程对相邻弯曲模态之间的局部响应特征保留不足，导致运载火箭全箭等效仿真难以兼顾计算效率与级间分离对接面频率响应准确性的问题。

2、为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：

3、获取工作秒态的全箭有限元模型；

4、根据全箭有限元模型的弯曲模态参数计算姿控模态增益，以姿控模态增益反号的相邻弯曲模态频率确定扫频区间；

5、以摆动发动机摆心为激励点，求解扫频区间内离散采样频率处的全阶响应，全阶响应包括响应向量及级间分离对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的同相位移响应；

6、当对接面的同相位移响应在相邻离散采样频率间反号，惯组安装截面的同相位移响应不反号，且摆动发动机摆心的同相位移响应不反号、幅值均非数值零值时，确定相邻离散采样频率间为零点区间；

7、将零点区间两侧的响应向量归一化作差，得到零点补偿基；

8、由弯曲模态参数形成共用降阶基底，将零点补偿基加入共用降阶基底，得到增广降阶基底；

9、分别以增广降阶基底和共用降阶基底求解零点区间与扫频区间内其他频率，得到重构响应和降阶姿控模态增益；

10、重构响应重现对接面的同相位移响应反号、降阶姿控模态增益重现姿控模态增益反号时，得到全箭等效仿真结果。

11、可选地，零点区间的边界复核，包括：

12、将对接面的同相位移响应反号的相邻离散采样频率之间的区间标记为候选区间；

13、筛除惯组安装截面或摆动发动机摆心的同相位移响应在候选区间两端反号的候选区间；

14、在保留的候选区间内设置验证采样频率并求解全箭有限元模型，得到验证全阶响应；

15、根据验证全阶响应中对接面的同相位移响应幅值与候选区间两端幅值的比较结果迭代更新候选区间边界，直至验证全阶响应中对接面的同相位移响应幅值同时低于当前候选区间两端幅值；

16、将当前候选区间确定为零点区间，并记录零点区间两侧的响应向量。

17、可选地，零点补偿基的形成，包括：

18、提取两个响应向量中的摆动发动机摆心的同相位移响应，两个摆动发动机摆心的同相位移响应幅值均非数值零值；

19、分别以两个同相位移响应幅值作为对应响应向量的归一化基准；

20、按照对应的归一化基准分别对两个响应向量进行归一化，得到两个归一化响应向量；

21、对两个归一化响应向量作差，得到零点补偿基。

22、可选地，增广降阶基底的构建，包括：

23、计算零点补偿基相对于共用降阶基底的投影残差；

24、根据有限元求解器在质量矩阵内积下采用的正交化判据，若投影残差包含独立于共用降阶基底的分量，则将投影残差归一化后加入共用降阶基底，得到候选降阶基底；若投影残差不包含独立分量，则将共用降阶基底作为候选降阶基底；

25、采用候选降阶基底求解并重构零点区间的响应，得到候选降阶响应；

26、当候选降阶响应未通过两个边界采样频率处的同相位移响应符号验证时，计算对应的响应向量相对于候选降阶基底的边界投影残差，并将根据正交化判据确定的独立分量归一化后加入候选降阶基底，重新求解零点区间；

27、将通过同相位移响应符号验证的候选降阶基底作为增广降阶基底。

28、可选地，全箭等效仿真结果的形成，包括：

29、采用增广降阶基底求解零点区间，得到区间内降阶响应；

30、采用共用降阶基底求解扫频区间内且位于零点区间以外的频率，得到区间外降阶响应；

31、分别采用增广降阶基底和共用降阶基底将区间内降阶响应和区间外降阶响应重构至全阶坐标，得到区间内重构响应和区间外重构响应；

32、按照采样频率顺序连接区间内重构响应和区间外重构响应，得到重构响应；

33、根据由增广降阶基底形成的降阶模型的弯曲模态参数计算降阶姿控模态增益；

34、比较重构响应在两个边界采样频率处的响应向量与对应的响应向量，得到边界一致性结果；

35、当边界一致性结果表明两组响应向量中对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的同相位移响应符号分别一致，重构响应保持对接面的同相位移响应反号和响应幅值局部极小，且降阶姿控模态增益与姿控模态增益具有相同的反号关系时，将重构响应作为全箭等效仿真结果。

36、可选地，全阶响应的求解，包括：

37、沿全箭俯仰方向或偏航方向向摆动发动机摆心施加横向等效激励；

38、沿与横向等效激励相同的方向提取对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的位移响应。

39、可选地，同相位移响应的取得，包括：

40、以横向等效激励的相位作为相位基准，将对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的位移响应分别沿相位基准投影，得到对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的同相位移响应。

41、可选地，共用降阶基底的形成，包括：

42、从弯曲模态参数中选取模态频率位于零点区间外的弯曲模态向量，对弯曲模态向量进行质量归一化，并将完成质量归一化的弯曲模态向量组成共用降阶基底。

43、可选地，共用降阶基底的组成，包括：

44、将确定扫频区间的两个相邻弯曲模态对应的质量归一化弯曲模态向量作为共用降阶基底的基底向量。

45、可选地，全箭等效仿真结果的输出过程，包括：

46、采用增广降阶基底求解零点区间，得到区间内降阶响应；采用共用降阶基底求解扫频区间内且位于零点区间以外的频率，得到区间外降阶响应；分别采用增广降阶基底和共用降阶基底将区间内降阶响应和区间外降阶响应重构至全阶坐标，得到区间内重构响应和区间外重构响应；按照采样频率顺序连接区间内重构响应和区间外重构响应，形成重构响应并输出全箭等效仿真结果。

47、本技术提供的技术方案具有以下有益效果：

48、本技术先根据姿控模态增益反号关系确定全阶响应的搜索频段，再结合级间分离对接面、惯组安装截面和摆动发动机摆心的响应符号关系识别局部零点。零点区间两侧的响应向量经归一化差分后形成零点补偿基，用于增广共用降阶基底。零点区间采用增广降阶基底求解，扫频区间内且位于零点区间以外的频率采用共用降阶基底求解，从而减少全阶动力学方程的重复求解，同时保持级间分离对接面的同相位移响应反号关系和姿控模态增益反号关系。