一种基于动力学约束的级间连接解锁装置轻量化设计方法与流程

本发明涉及一种基于动力学约束的级间火工(气动)连接解锁装置轻量化设计方法，属于级间连接解锁装置设计领域。

背景技术：

1、火箭级间火工(气动)连接解锁装置可实现多级运载火箭下面级与上面级连接及解锁分离的作用，目前国内运载火箭的级间分离系统设计方法，主要是根据动力学指标开展相关设计，力学载荷来确定连接解锁的火工品的选取与校核：根据经验选取火工品的种类与数量，根据力学分析结果确定预紧力，最后来进行爆炸螺栓的校核，从而得到最终的选取方案，基于传统分离系统的设计方法，优点是可以凭经验选取比较简单，缺点是忽略了重量的影响导致其火工品的种类与数量匹配方案不是最优。因此在满足动力学约束的前提下，提出以控制系统重量最小为目标的设计要求，亟需开展基于动力学约束的级间火工(气动)分离系统设计方法研究，填补运载火箭火工(气动)分离系统轻量化设计方法的空白。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统分离系统的设计方法忽略了重量的影响导致其火工品的种类与数量匹配方案不是最优的现状，提出了一种基于动力学约束的级间火工(气动)连接解锁装置轻量化设计方法。

2、本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种基于动力学约束的级间连接解锁装置轻量化设计方法，包括：

4、s1：按照火箭级间的连接解锁装置设计位置，对火箭不同级间的气动载荷进行分析，确定级间分离面载荷；

5、s2：设置火箭级间单点连接解锁装置数量；

6、s3：按照级间分离面载荷，以级间分离面载荷-当量单点载荷计算公式对级间分离面载荷进行剖析，得到当量单点载荷；

7、s4：按照螺栓静力平衡公式设计计算单点连接解锁装置的最小预紧力；

8、s5：按照单点连接解锁装置载荷和最小预紧力，以螺栓静力平衡公式，设计单点连接解锁装置承载最小螺栓直径；

9、s6：建立单点连接解锁装置承载最小螺栓直径与单点连接解锁装置的重量关系公式数学模型；

10、s7：优选出最佳单点连接解锁装置数量和螺栓直径搭配的连接解锁装置的重量，完成轻量化设计。

11、进一步的，火箭在飞行过程中，火箭各级受到的外载荷按照火箭分离前某级的前子级和末子级承受的气动力及控制力，进行分解；

12、前子级气动力ffront_aero、控制力ffront_ctrl和末子级承受的气动力fback_aero等效为火箭分离面的弯矩m＝fback_aero×d1-ffront_ctrl×d2-ffront_aero×d3，d1为fback_aero到分离面的距离、d2为ffront_ctrl到分离面的距离、d3为ffront_aero到分离面的距离。

13、进一步的，根据火箭级间空间及安装位置，对火箭级间单点连接解锁装置数量进行设置，火箭级间单点连接解锁装置数量为4、6、8、10、12、14、16...。

14、进一步的，所述的按照级间分离面载荷，以级间分离面载荷-当量单点载荷计算公式对级间分离面载荷进行剖析，得到当量单点载荷，具体为：

15、

16、其中，fs为当量单点载荷，f为安全系数，m为级间分离面载荷弯矩，n为级间分离面单点连接解锁装置数量，d为级间分离面单点连接解锁装置数量分布圆直径，n为级间分离面轴拉/轴压载荷。

17、进一步的，所述按照螺栓静力平衡公式设计计算单点连接解锁装置的最小预紧力，具体为：

18、f0＝fp+(1-kbc)×fs

19、f0为单点连接解锁装置的最小预紧力，fp为级间分离面单点连接解锁装置的残余预紧力、fs为当量单点载荷、kbc为单点连接解锁装置的螺栓相对刚度。

20、进一步的，残余预紧力与当量单点载荷之间满足如下关系：

21、fp/fs≥α

22、α为0.3、0.7或1倍的单点载荷。

23、进一步的，按照单点连接解锁装置载荷和最小预紧力，以螺栓静力平衡公式，得到单点连接解锁装置爆炸螺栓总拉压载荷f＝f0+kbc×fs；

24、单点连接解锁装置承载最小螺栓直径σ为螺栓强度。

25、进一步的，拟合单点连接解锁装置承载最小螺栓直径与连接解锁装置的重量关系公式数学模型为：

26、g＝knd+nm

27、其中，g为连接解锁装置的重量，k为常值参数，d为最小螺栓直径，m为火工电缆管路或气动连接管路的质量。

28、进一步的，优选出最佳单点连接解锁装置数量和螺栓直径搭配的连接解锁装置的重量，具体为：

29、确定基于级间载荷约束的尺寸、数量优选的连接解锁装置轻量化数学模型为：

30、

31、通过所述连接解锁装置轻量化数学模型，得到满足质量最轻的连接解锁装置的最优解n，其中find表示对于级间分离面单点连接解锁装置数量采用搜寻法给出自变量数据依次代入公式计算，寻找满足结果最优g(n)的自变量n的解析数值，s.t表示g(n)函数中定值关于弯矩m、分布圆d的初始约束；min表示自变量范围内最小g(n)为最优g(n)结果。

32、第二方面，

33、本发明还提出一种基于动力学约束的级间连接解锁装置轻量化设计系统，包括：

34、级间分离面载荷确定模块：按照火箭级间的连接解锁装置设计位置，对火箭不同级间的气动载荷进行分析，确定级间分离面载荷；设置火箭级间单点连接解锁装置数量；

35、当量单点载荷确定模块：按照级间分离面载荷，以级间分离面载荷-当量单点载荷计算公式对级间分离面载荷进行剖析，得到当量单点载荷；

36、最小预紧力确定模块：按照螺栓静力平衡公式设计计算单点连接解锁装置的最小预紧力；

37、最小螺栓直径确定模块：按照单点连接解锁装置载荷和最小预紧力，以螺栓静力平衡公式，设计单点连接解锁装置承载最小螺栓直径；

38、重量模型确定模块：建立单点连接解锁装置承载最小螺栓直径与单点连接解锁装置的重量关系公式数学模型；

39、轻量化设计模块：优选出最佳单点连接解锁装置数量和螺栓直径搭配的连接解锁装置的重量，完成轻量化设计。

40、本发明与现有技术相比的优点在于：

41、本发明提供的一种基于动力学约束的级间火工(气动)连接解锁装置轻量化设计方法，针对目前现有技术中，传统分离系统的设计方法，忽略了重量的影响导致其火工品的种类与数量匹配方案不是最优的现状，优选出最佳单点连接解锁装置数量和螺栓直径的搭配的火工(气动)连接解锁装置的重量，得到轻量化的创新设计方法，得到基于级间载荷约束的尺寸、数量优选的火工(气动)连接解锁装置轻量化数学模型，得到满足质量最轻的火工(气动)连接解锁装置的最优解，成功解决了传统设计中忽略了重量的影响导致其火工品的种类与数量匹配方案不是最优的现状，优选出最佳单点连接解锁装置数量和螺栓直径的搭配的火工(气动)连接解锁装置的重量，得到轻量化的创新设计方案。