宇航线式火工分离装置数值模拟及优化设计

论文摘要

火工分离装置是航天飞行器上完成分离解锁任务的主要部件,能否顺利解锁直接关系到宇航飞行器的任务完成与否,以及宇航员与设备的安全。对于宇航线式火工分离装置的研制,传统的途径是采用经验设计——试验——修改设计的方式,需要进行反复试验和修改设计,导致工程成本高,研制周期长。本文采用数值模拟技术与结构优化方法,对宇航线式火工分离装置作了较为系统的研究,主要研究内容如下:(1)以有限元软件为平台,采用参数化编程建立2维模型和3维模型,分别对宇航线式火工分离装置爆炸分离过程和结构参数进行了大量数值模拟计算,描述了分离装置在爆炸过程的响应特性,并得到各结构参数对分离装置爆炸冲击的影响。(2)以分离装置彻底分离所需炸药量最小为目标,结构应力为约束,采用响应面方法建立优化模型,对宇航线式火工分离装置装药腔进行结构优化。(3)以结构最容易爆炸分离为目标,爆炸前蒙皮满足应力约束。采用(2)中提到的方法建立优化模型,对宇航线式火工分离装置中蒙皮削弱槽结构参数组合进行优化。综上所述,本文将数值模拟技术和结构优化方法用于宇航线式火工分离装置研制中,建立了数值计算模型和优化模型,这些模型能直接应用到工程中,对工程设计和试验具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 宇航线式火工分离装置研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 宇航火工分离装置研究现状
• 1.2.1 宇航火工分离装置应用研究
• 1.2.2 爆炸冲击效应数值模拟研究
• 1.2.3 响应面方法（RSM）应用研究
• 1.3 宇航火工分离装置研制面临的困难
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 宇航线式火工分离装置爆炸分离理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 爆炸理论分析
• 2.2.1 爆轰理论及基本方程
• 2.2.2 弹塑性介子中的冲击波
• 2.2.3 爆炸载荷下金属材料断裂机理分析
• 2.3 宇航线式火工分离装置的工作过程
• 2.3.1 工作过程简介
• 2.3.2 爆炸分离时能量转换
• 2.4 小结
• 第3章 宇航线式火工分离装置数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟计算基础
• 3.2.1 ANSYS/LS-DYNA程序理论简介
• 3.2.2 LS-DYNA程序的使用方法
• 3.3 宇航线式火工分离装置爆炸分离过程数值模拟
• 3.3.1 数值模拟计算模型及采用的算法
• 3.3.2 数值模拟计算模型主要参数
• 3.3.3 数值模拟结果与分析
• 3.4 宇航线式火工分离装置结构参数数值模拟
• 3.4.1 爆炸前结构分析
• 3.4.2 爆炸时结构冲击响应分析
• 3.5 小结
• 第4章 宇航线式火工分离装置结构参数优化
• 4.1 引言
• 4.2 响应面方法简介
• 4.2.1 响应面方法的基本理论
• 4.2.2 响应面法试验点的选取
• 4.2.3 常用试验设计方法
• 4.2.4 响应面预测性能评估
• 4.3 结构优化基本介绍
• 4.3.1 结构优化设计概述
• 4.3.2 结构优化模型建立介绍
• 4.4 宇航线式火工分离装置装药腔结构优化
• 4.4.1 目标函数
• 4.4.2 设计变量
• 4.4.3 约束函数
• 4.4.4 优化模型的建立与求解
• 4.4.5 优化结果与分析
• 4.5 宇航线式火工分离装置削弱槽结构优化
• 4.5.1 目标函数、约束函数与设计变量
• 4.5.2 有限元分析模型
• 4.5.3 优化结果与分
• 4.6 小结
• 第5章 程序设计
• 5.1 引言
• 5.2 总体设计
• 5.2.1 程序结构介绍
• 5.2.2 程序文件及函数介绍
• 5.3 用户界面及程序流程
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢