基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台

技术领域

本发明涉及基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台，属于航天运输器总体设计领域。

背景技术

运载火箭的总体原始数据计算是运载火箭研制的一项重要工作，是全箭开展设计研制工作的前提和基础，其中总体原始数据中的飞行状态的质量、质心、转动惯量和推进剂液位高度等参数是开展运载火箭弹道设计、制导和姿控设计、增压计算等的重要基础；运输状态的质量、质心等参数是开展吊具设计、地面支撑工装设计的重要依据；运载火箭的质量分占信息是进行动特性分析、载荷计算的重要输入等等。

常规的运载火箭总体原始数据的计算工作的流程是：首先结合全箭结构部段设计情况，完成运载火箭质量分站站点的设计；然后按系统对箭上产品的布局以及重量进行统计，结合站点的分布情况，完成全箭的质量分站；最后再利用相关软件完成全箭飞行状态以及各种运输和吊装状态的质量特性的计算。该方法存在的主要问题是，针对不同的状态，由于产品组成不同，如飞行状态和运输状态，需要针对不同的状态分别开展质量分站统计，重复性工作多、效率低，并且对分站信息的形成过程未进行有效记录、可追溯性差，当某个设备或部段的质量特性发生变化时，需要重新统计全部产品的质量特性，重新进行分站。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台。

本发明的技术解决方案是：

基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台，包括基础构件库、三维建模模块、质量特性设置模块和质量特性计算模块；

基础构件库：包括各型运载火箭的基础部件，所述基础部件为模板形式，能够根据需要进行实例化和参数调整；

三维建模模块：从基础构件库中选择需要的基础部件，结合贮箱推进剂加注量，通过实例化和参数调整后装配形成部段或全箭三维数字样机；

质量特性设置模块：根据部段或全箭结构信息，完成部段或全箭三维数字样机质量特性的参数化设置；

质量特性计算模块：完成部段或全箭三维数字样机质量、转动惯量、质心和推进剂液位高度的计算分析。

基础构件库集成了创建运载火箭部段或全箭三维数字样机所需要的共性、通用基础部件，涉及贮箱类、头锥类、舱段类、发动机类、翼面类、特殊类六大类，以模板形式存储。

三维建模模块具备两种应用模式，第一种模式为基于各类基础部件，通过参数调整，逐步完成部段或全箭三维数字样机的建模；另一种模式为基于第一种模式已实例化的部件，通过“模块重用”的方式快速完成部段或全箭三维数字样机的建模。

质量特性设置模块具备两种参数化设置的模式：

模式1：依据结构参数信息，采取计算密度或计算质量方法进行结构质量分布设置，依据贮箱推进剂不可用量，直接完成推进剂的质量分布设置；

模式2：给定约束条件，自动完成不同部段结构的质量分布设置和推进剂的质量分布设置。

质量特性计算模块具备自顶向下的快速质量分配和自底向上的详细质量计算两种功能。

自顶向下快速质量分配模式实现方式如下：

根据全箭目标质量，按照全箭-模块-基础部件逐层分配质量；

快速计算各模块的质量特性、全箭质量特性、火箭构型在不同飞行状态下的质量特性以及全箭各种加注诸元质量信息。

自底向上的详细质量计算模式实现方式如下：

依据基础部件几何外形计算基础部件质量特性；

根据模块的质量分站坐标进行基础部件站点质量分配；

根据基础部件站点质量分配数据计算模块质量特性；

根据模块质量数据计算全箭质量特性；

汇总全箭各模块质量，计算全箭总质量。

根据基础部件站点质量分配数据计算模块质量特性的方式如下：

根据基础部件质量计算模块的总质量，在基础部件站点质量分布数据的基础上计算模块分站质量。

汇总全箭各模块质量，计算全箭总质量的实现方式如下：

汇总全箭各模块分站质量，计算飞行状态的全箭转动惯量和运输状态模块转动惯量；

对全箭各个过程中产生的加注诸元信息进行汇总计算。

质量特性计算模块采用“飞行时序设置”的方法，根据飞行时序给出各模块的点火时间、关机时间，同时为适应“节流”工况的质量特性计算，通过“时间片”功能对典型时间段的动力参数进行重新配置，满足各种计算需求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于运载火箭三维数字样机的总体原始数据计算平台在现有运载火箭构型的原始数据计算中实现了应用，计算精度偏差小于1.5％，满足工程应用要求。实现了基于三维数字样机的运载火箭分站质量的自动统计，大幅提升了运载火箭飞行和运输等各种状态的质量特性计算效率，提高了运载火箭总体原始数据计算的可视化程度和数据可追溯性。

附图说明

图1为三维建模模块架构图；

图2为基础部件示意图；

图3为三维数字样机建模示意图；

图4为火箭三维数字样机示意图；

图5为质量特性设置界面；

图6为自顶向下质量快速计算模式示意图；

图7为自底向上质量详细计算模式示意图；

图8为飞行时序设置1(各基础部件的分离时间)示意图；

图9为飞行时序设置2(“时间片”设置)示意图；

图10为飞行状态质量特性计算结果示意。

具体实施方式

本发明提出基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台，以火箭的轻量化三维数字样机为基础，对数字样机中的各构件进行质量特性设置，然后根据不同状态的质量特性计算需求，通过运载火箭数字样机中各种构件的快速组合，依据该平台自动完成质量分占信息统计以及质量特性计算，大幅提升运载火箭总体原始数据计算的效率。

如图1所示，本发明基于三维数字样机的运载火箭总体原始数据计算平台，包括基础构件库、三维建模模块、质量特性设置模块和质量特性计算模块。

基础构件库：包括各型运载火箭的基础部件，所述基础部件为模板形式，能够根据需要进行实例化和参数调整。

基础构件库集成了创建运载火箭部段或全箭三维数字样机所需要的共性、通用基础部件，涉及贮箱类、头锥类、舱段类、发动机类、翼面类、特殊类六大类共26种部件，以模板形式存储，如图2所示。

三维建模模块：从基础构件库中选择需要的基础部件，结合贮箱推进剂加注量，通过实例化和参数调整后装配形成部段或全箭三维数字样机。

质量特性设置模块：根据部段或全箭结构信息，完成部段或全箭三维数字样机壁厚、材料属性、密度等质量特性的参数化设置。

质量特性计算模块：完成部段或全箭三维数字样机质量、转动惯量、质心和推进剂液位高度的计算分析。

具体地，三维建模模块以几何引擎为基础，具备几何模型后参数化及自由建模和后处理轻量可视化功能，为运载火箭总体设计阶段，提供轻量化、快速化、模块化的三维模型。通过三维建模快速形成初步布局构型、并为构型布局优化、质量特性计算、质量分站、气动计算分析提供外形尺寸数据。三维建模模块具备根据各模块加注量、箭体直径、贮箱型式等信息，自动进行箭体长度计算，并快速完成火箭三维建模功能。

三维建模模块的功能架构图见图1，其提供轻量化几何引擎以及Creo、Catia、AutoCAD二次开发接口，结合相关数据格式规范，构成3D构型快速建模工具的底层基础。

工具底层是轻量化几何引擎，通过使用几何引擎开发火箭的典型部件类，形成基于部件类的快速火箭模块建模工具。火箭基础部件为构成三维建模工具的基础参数化结构单元，可以通过对每一类结构单元进行实例化和参数调整，形成构成火箭结构的基础组成结构元素，用于完成后续的部段建模和全箭装配建模。

针对不同的应用场景，三维建模模块具备两种应用模式，一种模式为基于各类各类基础部件，通过参数调整，逐步完成全箭三维数字样机的建模工作；另一种模式为基于已有的基础模块(已实例化，相关的外形尺寸、质量信息等均已设置完毕)，通过“模块重用”的方式快速完成全箭三维数字样机的建模工作，详见图3。

根据火箭的总体方案，以火箭基础部件为基础，在给定各部件的外形尺寸以及装配信息后，可建立运载火箭的三维数字样机，如图4所示。

质量特性设置模块，具备两种参数化设置的模式：

模式1：依据结构材料属性、厚度等参数信息，采取计算密度或计算质量方法进行结构质量分布设置，依据贮箱推进剂不可用量，直接完成推进剂的质量分布设置；

模式2：给定质量分配指标、推进剂混合比等约束条件，自动完成不同部段结构的质量分布设置和推进剂的质量分布设置。

如针对详细设计阶段，在构件的质量、壁厚信息已知的情况，可以采用“计算密度”的方法，自动完成质量的分布计算，详见图5。

对于芯级和助推器模块，需要完成加注量的设置，针对不同的使用需求，具备两种模式的设置方案。

模式1：给定模块的总加注量，按照选定发动机的混合比，自动计算得到燃烧剂和氧化剂质量；

模式2：分别设置燃烧剂和氧化剂质量。

质量特性计算模块，基于三维数字样机的总体原始数据计算平台，具备自顶向下的快速质量分配和自底向上的详细质量计算两种不同的功能。

自顶向下质量快速计算模式主要用于全箭向导式配置建模完成后，通过设定全箭目标质量，全箭-模块-基础部件逐层分配质量后快速计算各模块的质量特性、全箭质量特性、火箭构型在不同飞行状态下的质量特性以及全箭各种加注诸元质量信息，如图6所示。

自底向上质量详细计算模式主要火箭构型详细设计阶段。自底向上的详细质量计算模式实现方式如下：

依据基础部件几何外形计算基础部件质量特性；

根据模块的质量分站坐标进行基础部件站点质量分配；

根据基础部件站点质量分配数据计算模块质量特性：根据基础部件质量计算模块的总质量，在基础部件站点质量分布数据的基础上计算模块分站质量；

根据模块质量数据计算全箭质量特性；

汇总全箭各模块质量，计算全箭总质量：

汇总全箭各模块分站质量，计算飞行状态的全箭转动惯量和运输状态模块转动惯量；

对全箭各个过程中产生的加注诸元信息进行汇总计算。详见图7。

火箭构型质量计算主要包括全箭质量计算、部段质量计算、部件质量计算三个功能模块，质量特性计算模块包括部件质量计算模块、部段质量计算模块和全箭质量计算模块，具体功能如下：

(1)部件质量计算

部件质量计算模块主要进行各部件的质量特性计算及质量分配计算，主要功能包括质量数据导入、质量计算(几何质量、示意性部件、集中质量点、外部导入几何)、质量分配三类。

(2)部段质量计算

部段质量计算模块主要进行各部段的质量计算，主要功能包括质量计算、质量分站、质量数据可视化显示三个功能。

(3)全箭质量计算

全箭质量计算模块主要进行全箭质量计算，主要功能包括全箭骨架设计、飞行中推进剂质量计算、全箭质量、质量数据导出等功能。为适应飞行中推进剂不断消耗变化的情况，采用“飞行时序设计”的方法适应随飞行时序变化的箱体液位计算及质量特性计算需求。

基于运载火箭三维数字样机的总体原始数据计算平台可以满足静态质量特性和飞行状态质量特性等多种工况的计算使用需求，只需要通过快速“点选”的方式组成需要计算的组合件状态，质量特性不需要重新设置，从而达到快速计算给出各种工况质量特性计算结果，

飞行状态质量特性计算采用“飞行时序设置”的方法，给出各模块的点火时间、关机时间，同时为适应“节流”工况的质量特性计算，可采用增加“时间片”的方法进行灵活设置，满足详细设计阶段的各种计算需求。如图8和图9所示。

质量特性的计算结果按照总体原始数据输出模板要求输出，具体参见图10。

基于组合化、模块化的运载火箭设计思路，建立运载火箭的三维数字样机；基于运载火箭的三维数字样机自动完成运载火箭分占质量统计以及飞行和运输等各种状态的质量特性计算，大幅提升运载火箭总体原始数据的计算效率；同时提高运载火箭总体原始数据计算的可视化程度和数据可追溯性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。