基于有限元法的航天整流罩结构刚度设计方法与流程

本技术涉及整流罩仿真分析，具体涉及一种基于有限元法的航天整流罩结构刚度设计方法。

背景技术：

1、航天整流罩用于运载火箭大气飞行阶段对有效载荷进行气动防护和环境隔离，具有薄壁、大尺寸、轻量化和分瓣连接等特点。在最大动压等飞行场景下，整流罩外表面承受非均匀气动压力，不同区域所受压力的方向和强度与局部结构位置及飞行状态密切相关，且整流罩内壁与有效载荷之间存在有限的安全间隙，该安全间隙是保障有效载荷安全的关键约束，因此航天整流罩的结构刚度设计直接关系到发射任务的可靠性与安全性。

2、目前，通常采用有限元方法对整流罩进行刚度分析，根据整流罩的几何模型、材料参数、边界约束和外部载荷，计算典型工况下的位移和应力响应，当识别出变形较大区域时，通常依据人工经验对该区域进行局部加厚或补强。

3、但是，由于整流罩外表面气动压力分布的非均匀性以及不同区域安全间隙的差异，对于安全间隙较小的区域，较小的向内变形即可引发整流罩与有效载荷发生物理接触或碰撞的风险；同时，对于安全间隙较大的区域，虽然变形量较大，但由于其安全间隙充裕并不会构成实际风险，上述方法无法有效改善航天整流罩的安全风险，导致整流罩局部刚度设计的准确性和结构轻量化水平难以兼顾，设计效率低下。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中无法有效改善航天整流罩的安全风险的技术问题，本技术的目的在于提供一种基于有限元法的航天整流罩结构刚度设计方法，所采用的技术方案具体如下：

2、本技术提供了一种基于有限元法的航天整流罩结构刚度设计方法，包括：根据航天整流罩的结构数据构建包含多个刚度分析区域的整流罩有限元基础模型；根据飞行场景数据和压力场样本数据，确定每个刚度分析区域的场景载荷强度；根据每个刚度分析区域的场景载荷强度和有效载荷空间包络数据，确定每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数；根据每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数，对每个刚度分析区域执行刚度扰动分析，确定每个刚度分析区域的优选刚度调节单元以及优选刚度敏感系数；根据每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数、优选刚度调节单元以及优选刚度敏感系数，对该整流罩有限元基础模型进行局部刚度修正，生成局部刚度设计方案。

3、可选地，飞行场景数据包括运载火箭飞行过程中多个时刻的飞行参数，压力场样本数据包含多个历史样本，一个历史样本中包括历史飞行参数及对应的航天整流罩外表面的历史压力场分布，上述根据该飞行场景数据和该压力场样本数据，确定每个刚度分析区域的场景载荷强度，包括：确定运载火箭飞行过程中的最大动压邻近时间窗口；根据最大动压邻近时间窗口中每个时刻的飞行参数构建每个时刻的飞行状态特征向量；根据每个时刻的飞行状态特征向量和该压力场样本数据，确定航天整流罩外表面每个时刻的压力场分布，该压力场分布中包括航天整流罩外表面包括的各压力单元对应的压力值及压力方向；根据每个时刻的压力场分布，确定每个刚度分析区域在每个时刻的有效向内载荷强度；将最大动压邻近时间窗口内每个刚度分析区域的有效向内载荷强度的最大值，确定为每个刚度分析区域的场景载荷强度。

4、可选地，上述根据每个时刻的压力场分布，确定每个刚度分析区域在每个时刻的有效向内载荷强度，包括：对于每个时刻，将各压力单元的压力方向向航天整流罩的向内法向方向投影，得到各压力单元在每个时刻的有效压力分量；根据各压力单元的面积和有效压力分量，对每个刚度分析区域内的所有压力单元的压力值进行加权汇总，得到每个刚度分析区域在每个时刻的有效向内载荷强度。

5、可选地，上述根据每个刚度分析区域的场景载荷强度和该有效载荷空间包络数据，确定每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数，包括：根据该有效载荷空间包络数据，确定每个刚度分析区域的初始安全间隙，该初始安全间隙为刚度分析区域内该航天整流罩的朝向有效载荷一侧的内表面节点到有效载荷安全包络面的最短距离；从每个刚度分析区域的初始安全间隙减去该初始安全间隙对应的预设安全裕度，得到每个刚度分析区域的有效安全间隙；根据每个刚度分析区域的场景载荷强度对该整流罩有限元基础模型执行有限元计算，得到每个刚度分析区域的最大向内变形量；根据每个刚度分析区域的最大向内变形量和有效安全间隙，确定每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数。

6、可选地，上述根据每个刚度分析区域的场景载荷强度对该整流罩有限元基础模型执行有限元计算，得到每个刚度分析区域的最大向内变形量，包括：将所有刚度分析区域的场景载荷强度映射为整流罩有限元基础模型的外部载荷向量；将该外部载荷向量加载至该整流罩有限元基础模型执行有限元计算，得到每个刚度分析区域的节点位移结果，该节点位移结果中包括刚度分析区域内多个内表面节点朝向有效载荷包络方向的节点位移分量；将每个刚度分析区域的节点位移结果中包括的节点位移分量的最大值，确定为每个刚度分析区域的最大向内变形量。

7、可选地，上述将所有刚度分析区域的场景载荷强度映射为整流罩有限元基础模型的外部载荷向量，包括：根据每个刚度分析区域的场景载荷强度和每个刚度分析区域朝向外部气动载荷一侧的外表面节点的等效面积，确定每个刚度分析区域的外表面节点的等效集中力；将所有刚度分析区域的外表面节点的等效集中力按照该整流罩有限元基础模型的节点自由度编号进行组装和累加，得到该整流罩有限元基础模型的外部载荷向量。

8、可选地，上述根据每个刚度分析区域的最大向内变形量和有效安全间隙，确定每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数，包括：当一个刚度分析区域的有效安全间隙小于或等于零时，将该刚度分析区域标记为空间超限区域，并将该有效载荷间隙风险系数设置为预设风险极值；当一个刚度分析区域的有效安全间隙大于零时，将该刚度分析区域的最大向内变形量与有效安全间隙的比值，确定为该刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数。

9、可选地，上述根据每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数，对每个刚度分析区域执行刚度扰动分析，确定每个刚度分析区域的优选刚度调节单元以及优选刚度敏感系数，包括：根据该整流罩有限元基础模型中有限元单元之间的结构连接关系，从所有有限元单元中确定出第一刚度分析区域的候选刚度调节单元集合，该第一刚度分析区域为该多个刚度分析区域中的任一个；对该第一刚度分析区域的每个候选刚度调节单元分别施加局部刚度增量，并对施加局部刚度增量后的整流罩有限元基础模型重新执行有限元计算，得到每个候选刚度调节单元扰动后该第一刚度分析区域的更新有效载荷间隙风险系数；根据该第一刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数、每个候选刚度调节单元扰动后该第一刚度分析区域的更新有效载荷间隙风险系数、每个候选刚度调节单元的局部刚度增量、每个候选刚度调节单元的初始局部刚度，确定每个候选刚度调节单元的刚度敏感值，一个候选刚度调节单元的初始局部刚度为该候选刚度调节单元被施加局部刚度增量前的等效局部刚度；将候选刚度调节单元集合中刚度敏感值最大的候选刚度调节单元确定为该第一刚度分析区域的优选刚度调节单元，并将最大的刚度敏感值确定为优选刚度敏感系数。

10、可选地，上述根据该第一刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数、每个候选刚度调节单元扰动后该第一刚度分析区域的更新有效载荷间隙风险系数、每个候选刚度调节单元的局部刚度增量、每个候选刚度调节单元的初始局部刚度，确定每个候选刚度调节单元的刚度敏感值，包括：确定所有刚度分析区域的场景载荷强度中的最大值；将第一刚度分析区域的场景载荷强度与该最大值的比值，确定为第一刚度分析区域的载荷权重；根据该第一刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数与每个候选刚度调节单元扰动后该第一刚度分析区域的更新有效载荷间隙风险系数之间的差值、该每个候选刚度调节单元的局部刚度增量与初始局部刚度的比值以及第一刚度分析区域的载荷权重，确定第一刚度分析区域的每个候选刚度调节单元的刚度敏感值。

11、可选地，上述根据每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数、优选刚度调节单元以及优选刚度敏感系数，对该整流罩有限元基础模型进行局部刚度修正，生成局部刚度设计方案，包括：将有效载荷间隙风险系数大于预设风险阈值的刚度分析区域确定为风险区域；根据风险区域的有效载荷间隙风险系数与预设风险阈值的差值以及该风险区域的优选刚度敏感系数，确定该风险区域的局部刚度修正系数；根据该局部刚度修正系数对该风险区域的优选刚度调节单元进行结构参数调整，并将调整后的结构参数更新至该整流罩有限元基础模型；基于更新后的整流罩有限元基础模型重新执行有限元计算，并重新确定每个刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数；当所有刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数均小于或等于该预设风险阈值时，将本次更新后的整流罩有限元基础模型对应的结构参数确定为局部刚度设计方案。

12、本技术具有如下有益效果：

13、本技术提供的基于有限元法的航天整流罩结构刚度设计方法，先依据结构数据构建整流罩有限元基础模型，再通过基于飞行场景数据和压力场样本数据确定各刚度分析区域的场景载荷强度，能够准确模拟每个刚度分析区域的真实飞行载荷场景；然后通过结合有效载荷空间包络数据确定各刚度分析区域的有效载荷间隙风险系数，能够准确量化每个刚度分析区域的风险程度进而识别出具有风险的刚度分析区域，之后识别出对改善各刚度分析区域最有效的优选刚度调节单元，通过该优选刚度调节单元和优选刚度敏感系数，对该整流罩有限元基础模型进行局部刚度修正，生成局部刚度设计方案，可以提高航天整流罩的安全风险改善的有效性。