[发明专利]一种橇-轨关系耦合的火箭橇凿削效应分析方法

说明书

本发明公开了一种橇‑轨关系耦合的火箭橇凿削效应分析方法，对火箭橇橇体和滑轨进行三维建模，确定橇体与滑轨间的位置关系，简化橇体，得到简化橇体‑滑轨耦合三维模型；将橇体‑滑轨耦合三维模型导入有限元软件，分别对橇体和滑轨进行网格划分，提取模型的节点和单元信息；将简化橇体三维模型和滑轨三维模型离散为一系列带有质量的物质点；采用更新拉格朗日格式运动描述方法建立火箭橇凿削计算的控制方程；采用显示时间积分方法更新背景网格，通过形函数实现离散简化橇体模型与滑轨模型的物质点和背景网格结点之间的信息映射，基于MPM3D软件完成火箭橇凿削现象分析。本发明克服了传统有限元方法的网格畸变难题，对火箭橇凿削效应进行准确分析。

技术领域

本发明属于靶场测试技术领域，具体涉及一种火箭橇凿削效应分析方法。

背景技术

火箭橇试验是二十世纪中后期发展起来的一种大型、高精度地面动态模拟试验方法，主要用于测试武器装备发射、飞行和着靶等全弹道过程中的一系列性能指标。随着高超声速武器装备的快速发展，火箭橇试验速度面临急切提升的需求。但是，当橇车的运行速度临近高超声速时，靴轨接触面上有时会因为滑靴高速撞击滑轨而产生“雨滴型”或“纺锤型”的凿削损伤，从而引起火箭橇运行力学环境的急剧劣化，严重时甚至会导致轨道断裂，造成试验失败。因此，凿削问题极大地限制了火箭橇试验速度的提升，成为发展高超声速火箭橇试验技术亟待解决的关键问题之一。高超声速火箭橇试验成本非常高昂，完全通过火箭橇试验进行凿削问题的研究是不现实的，通过数值分析方法开展高超声速火箭橇凿削问题的研究，是为开展高超声速火箭橇试验方案集成提供技术支撑的有效途径。

经过对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为202011120848.X，发明名称为：一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，该专利自述：“发明公开了一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，通过简化火箭橇系统滑靴上面的橇体部分来建立等效的平面应变分析模型；然后采用Stefani Parker半经验公式确定来分析模型所用滑靴、滑轨材料的配副标准；并根据发生凿削时材料的行为来选用合适的本构模型和状态方程；最后结合实际工况设计相应的模型来研究凿削效应产生的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律；并基于物质点法理论结合NairnMPM软件完成上述模型的建立、计算并分析结果。”该专利将火箭橇模型等效为二维平面应变分析模型，对火箭橇试验凿削现象进行分析。通过对凿削现象分析可知，大部分凿削发生在轨道的两侧和拐角处，该方法提出的二维等效模型无法还原凿削发生的真实工况。并且，二维数值模拟忽略了结构力学分析过程中第三维空间对结构造成的影响，从而导致忽略了三维空间下的一些特征。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种橇-轨关系耦合的火箭橇凿削效应分析方法，对火箭橇橇体和滑轨进行三维建模，确定橇体与滑轨间的位置关系，简化橇体，得到简化橇体-滑轨耦合三维模型；将橇体-滑轨耦合三维模型导入有限元软件，分别对橇体和滑轨进行网格划分，提取模型的节点和单元信息；将简化橇体三维模型和滑轨三维模型离散为一系列带有质量的物质点；采用更新拉格朗日格式运动描述方法建立火箭橇凿削计算的控制方程；采用显示时间积分方法更新背景网格，通过形函数实现离散简化橇体模型与滑轨模型的物质点和背景网格结点之间的信息映射，基于MPM3D软件完成火箭橇凿削现象分析。本发明克服了传统有限元方法的网格畸变难题，对火箭橇凿削效应进行准确分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

步骤1：对火箭橇橇体和滑轨进行三维建模，确定橇体与滑轨间的位置关系，简化橇体，得到简化橇体-滑轨耦合三维模型，具体如下：

通过三维设计软件对火箭橇橇体和滑轨进行建模，将建好的橇体模型对称放置于滑轨模型上，滑靴的上滑块自由面紧贴滑轨上表面，然后根据靴轨间隙、气动力、轨道不平顺度条件对实际运行过程中橇体沿x、y、z三个方向轴的旋转角度进行计算，按照计算结果对橇体进行旋转，使橇体表现出滚转、俯仰和偏转三种不同的运动姿态；维持橇体与滑轨的位置关系不变，将橇体横梁、发动机、卡环、加筋梁、螺栓零部件删除，只保留滑靴与纵梁结构，得到简化橇体-滑轨耦合三维模型；