一种基于几何模型的静力学分析模型构建方法及系统

技术领域

本申请涉及飞行器力学分析领域，尤其涉及一种用于缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析方法及系统。

背景技术

高超声速飞行器飞行过程中面临着严酷气动热环境，需进行热防护以保证主承载结构、舱内设备工作在适宜温度。与常见的刚性陶瓷瓦、柔性隔热毡等热防护方案不同，缝合夹层整体式热防护结构(简称整体式TPS)是一种新型热防护结构，具有轻质、高效、高可靠、可大尺度应用等优点，应用前景广阔。

为保证飞行安全，整体式TPS热防护结构在应用过程中需保证结构完整、功能可靠，因而需要对整体式TPS热防护结构进行全面的分析及验证。一般通过构建静力学模型对整体式TPS热防护结构进行静力学性能的分析及验证。利用有限元方法对整体式TPS热防护结构进行准确、高效的静力学分析是进行飞行器热防护结构设计、结构安全评估的关键环节，需求迫切。然而，由于整体式TPS结构组成复杂、材料行为特性复杂，进行准确、高效分析技术难度较大，尚无适宜的模型建立方法。

发明内容

本申请实施例提出了一种静力学分析模型构建方法及系统，以解决整体式TPS热防护结构缺乏静力学分析手段的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于几何模型的静力学模型方法，该方法的步骤包括：

将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，获得关键结构所对应的几何模型；

基于关键结构所对应的几何模型，构建待分析热防护结构的静力学分析模型。

优选地，所述待分析热防护结构为缝合夹层整体式热防护结构。

优选地，所述包含待分析热防护结构的几何模型包括：用于飞行器的异型面结构或典型平板型结构。

优选地，所述关键结构包括上面板、夹芯层、下面板和胶层。

优选地，所述将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，获得关键结构所对应的几何模型的前一步包括：

对待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行多余结构剔除。

优选地，所述将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，获得关键结构所对应的几何模型的步骤包括：

将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型作为待分析模型，并对待分析几何模型进行备份；

将备份的模型进行结构偏置，偏置出上面板空间、下面板空间、夹芯层空间和胶层空间；

将原待分析几何模型与偏置后的模型求差，形成上面板模型、夹芯层模型、下面板模型和胶层模型。

优选地，所述基于关键结构所对应的几何模型，构建待分析热防护结构的静力学分析模型的步骤包括：

基于关键结构所对应的几何模型，利用ABAQUS分析软件构建待分析热防护结构的静力学分析模型。

为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种用于热防护结构的静力学分析方法，该方法的步骤包括：

利用如上所述的静力学模型构建方法构建待分析热防护防护结构的静力学分析模型；

对静力学分析模型进行求解，并对求得的解集进行处理获得待分析热防护结构的静力学分析数据。

优选地，对静力学分析模型进行求解，并对求得的解集进行处理获得待分析热防护结构的静力学分析数据的步骤包括：

对缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型进行求解，将求得的计算结果构建为点云图；

基于所述点云图提取所需的应力/应变数据。

为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种静力学模型构建系统，该系统包括：

分解单元，将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，获得关键结构所对应的几何模型；

建模单元，基于关键结构所对应的几何模型，构建待分析热防护结构的静力学分析模型。

优选地，该系统进一步包括：剔除模块，对待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行多余结构剔除。

优选地，所述建模单元采用ABAQUS分析软件构建分析热防护结构的静力学分析模型。

优选地，所述分解单元包括：

备份模块，将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型作为待分析模型，并对待分析几何模型进行备份；

偏置模块，将备份进行结构偏置，偏置出上面板空间、下面板空间、夹芯层空间和胶层空间；

成型模块，将原待分析几何模型与偏置后的模型求差，形成上面板模型、夹芯层模型、下面板模型和胶层模型。

本发明的有益效果如下：

本申请所述技术方案利用几何模型作为基础，根据几何模型的特征构建缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型，从而提高模型的精度，建模效率更高；进一步根据静力学分析模型进行对缝合夹层整体式热防护结构的静力学性能进行分析获得更加准确地静力学分析数据。本方案在分解模型时，忽略掉缝合线模型，利用有限元分析软件中的壳体单元和内聚力单元等功能，将简化模型连接在一起，不但提高了建模效率，又可以保证建模的高精度，通过本方案构建的静力学分析模型能够高效、准确的计算缝合夹层整体式热防护结构在静力学载荷下的力学响应。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本申请所述缝合夹层整体式热防护结构的示意图；

图2示出本申请所述静力学分析模型构建方法的示意图。

附图标号

1、陶瓷上面板，2、夹芯层，3、陶瓷缝合线，4、陶瓷下面板，5、陶瓷面板整体式复合隔热瓦，6、硅橡胶，7、弹性金属承载结构。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

本方案的核心思路是将缝合夹层整体式热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，得到上面板、夹芯层、下面板和胶层的几何模型，其中，忽略掉缝合线模型，利用有限元分析软件中的壳体单元和内聚力单元等功能，将简化模型连接在一起，不但提高了建模效率，又可以保证建模的高精度，通过本方案构建的静力学分析模型能够高效、准确的计算缝合夹层整体式热防护结构在静力学载荷下的力学响应。

如图1所示，本方案所述缝合夹层整体式热防护结构包括：由上至下依次叠放的陶瓷上面板1、夹芯层2和陶瓷下面板4组成的陶瓷面板整体式复合隔热瓦5。陶瓷上面板1和陶瓷下面板4之间通过陶瓷缝合线3缝合。将所述陶瓷面板整体式复合隔热瓦5置于弹性金属承载结构7上，中间通过硅橡胶6粘接固定。

如图2所示，先对待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行多余结构剔除，以去除多余的干扰特征，使模型更加准确，便于后面的分解。其中，所述包含待分析热防护结构的几何模型可以为：用于飞行器的异型面结构或典型平板型结构等模型结构。

将剔除完多余特征的模型作为待分析模型，并对待分析几何模型进行备份；将备份进行结构骗纸，偏置出上面板空间，下面板空间、夹芯层空间和胶层空间；再将原待分析几何模型与偏置后的模型求差，形成上面板模型、夹芯层模型、下面板模型和胶层模型。

利用有限元分析软件对上下面板划分为实体壳单元、层合材料类型，对夹芯层划分为实体单元、正交各向异性材料类型，对胶层划分为内聚力单元，超弹性材料类型；各层材料通过共节点或绑定约束进行连接，构建出缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型。

进一步的，本方案提供一种用于热防护结构的静力学分析方法，该方法的步骤包括：

利用上述静力学模型构建方法构建出分析热防护结构的静力学分析模型；对静力学分析模型进行求解，并对求得的解集进行处理获得待分析热防护结构的静力学分析数据。其中，对静力学分析模型进行求解，并对求得的解集进行处理获得待分析热防护结构的静力学分析数据的具体步骤包括：对缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型进行求解，将求得的计算结果构建为点云图；基于所述点云图提取所需的应力/应变数据。

本方案进一步公开了一种静力学分析模型构建系统，该系统包括：

剔除模块，对待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行多余结构剔除。

分解单元，将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型进行分解，获得关键结构所对应的几何模型；

建模单元，基于关键结构所对应的几何模型，构建待分析热防护结构的静力学分析模型。

其中，所述建模单元采用ABAQUS分析软件构建分析热防护结构的静力学分析模型。

本方案中，所述分解单元包括：

备份模块，将待分析热防护结构或包含该结构的几何模型作为待分析模型，并对待分析几何模型进行备份；

偏置模块，将备份进行结构偏置，偏置出上面板空间、下面板空间、夹芯层空间和胶层空间；

成型模块，将原待分析几何模型与偏置后的模型求差，形成上面板模型、夹芯层模型、下面板模型和胶层模型。

下面通过实例对本方案作进一步说明书。

本实例中针对准确、高效的构建缝合夹层整体式热防护瓦静力学分析模型构建的问题，提出了一种高效、准确的模型建立方法，该方法忽略缝合夹层整体式热防护结构几何模型中的缝合线模型，尽可能采用有限元分析软件中的壳体单元、内聚力单元等功能，基于简化的结合模型高效、高精度的建立缝合夹层整体式热防护瓦的静力学分析模型，利用该模型能够高效、准确的计算缝合夹层整体式热防护瓦在静力学载荷下的力学响应。具体的，

本实例提供一种适用于缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型建立方法，该方法具体包括：

计算几何模型准备阶段：该阶段可以采用计算机辅助设计软件建立缝合夹层整体式热防护结构几何模型或对已有几何模型进行去除多余结构特征。

分层模型切分阶段：该阶段将几何模型处理按照上面板、夹芯层、下面板、胶层切分为四层几何模型；

本实例中若模型属于复杂型面结构可以采用UG计算机辅助设计软件进行模型的剔除和分解操作，具体方式如下：

对待分析对象的几何模型进行抽取体操作，隐藏原几何体；

对待分析对象的几何模型的抽取体进行偏置面操作，为下一步求差形成上面板、夹芯层、下面板+胶层模型做准备；

对原几何体与偏置面后的抽取体进行求差；

对下面板+胶层模型进行抽取体操作，隐藏原几何体；

对下面板+胶层模型的抽取体进行偏置面操作，为下一步求差形成下面板、胶层模型做准备；

对下面板+胶层模型与偏置面后的抽取体进行求差，形成面板、夹芯层、下面板、胶层模型。

本实例中若模型属于平板型结构，则可以采用ABAQUS有限元软件或网格划分前处理软件中进行分解，具体方式如下：

对几何模型上表面或下表面进行偏置建立模型切分面；

采用切分面将模型进行切分，形成上面板、夹芯层、下面板、胶层模型。

有限元模型建模阶段及求解阶段：该阶段对几何模型划分网格并赋予单元类型、材料属性，建立各层结构接触关系，给定载荷及边界条件，设定求解参数、输出变量，提交求解。本实例中，利用ABAQUS有限元分析软件对上下面板划分为实体壳单元、层合材料类型，对夹芯层划分为实体单元、正交各向异性材料类型，对胶层划分为内聚力单元，超弹性材料类型；各层材料通过共节点或绑定约束进行连接，得到静力学分析模型。上述操作也可以在ANSYS有限元软件或Hypermesh等网格划分软件中进行

对静力学分析模型进行求解，并对解集进行处理形成形变点云图、面板上/下表面应力/应变云图等，提取典型点位移，应力/应变数据。

本申请所述技术方案利用几何模型作为基础，根据几何模型的特征构建缝合夹层整体式热防护结构的静力学分析模型，从而提高模型的精度，建模效率更高；进一步根据静力学分析模型进行对缝合夹层整体式热防护结构的静力学性能进行分析获得更加准确地静力学分析数据。本方案在分解模型时，忽略掉缝合线模型，利用有限元分析软件中的壳体单元和内聚力单元等功能，将简化模型连接在一起，不但提高了建模效率，又可以保证建模的高精度，通过本方案构建的静力学分析模型能够高效、准确的计算缝合夹层整体式热防护结构在静力学载荷下的力学响应。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。