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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的一种基于有限元分析的分离装置轻质化优化方法，属于航天器柔性导爆索线式火工分离装置领域。本发明实现方法为：依据参数敏感度对航天器柔性导爆索线式火工分离装置保护罩结构设计参数进行分析，分析影响分离装置工作性能的关键参数，结合分析结果对保护罩不同优化区域的功能特点进行针对性机理分析，构建保护罩优化评价标准、待优化尺寸的划分方法和参数敏感度的分析方法，设置更加可靠的优化方向，并依据参数影响机制提出静力学拓扑优化方法对保护罩结构进行优化。本发明在保证分离装置强度校核及临界分离药量不受到过分影响的前提下，实现航天器分离装置子系统轻量化，提高航天器运力、降低能耗、减少成本。

主权项：1.一种基于有限元分析的分离装置轻质化优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：根据航天器级间分离所使用的柔性导爆索线式火工分离装置结构形式，以对称边界条件的形式建立简化的分离装置初始三维模型，初始三维模型需包含紧固件、分离板、保护罩及其装配关系；使用能够反映金属材料在高应变率、多种应变类型叠加下失效过程的Johnson-Cook材料本构模型作为分离装置三维模型的材料模型；步骤二：对步骤一建立的分离装置初始三维模型中的保护罩进行静力学分析：在CAE软件中单独对保护罩结构进行静力学分析，将步骤一中选取的Johnson-Cook材料本构模型及参数赋予保护罩模型，在螺栓孔位置处进行装配约束，对保护罩整体设置对称边界条件，在装药槽底部施加载荷，计算后提取保护罩装药槽底点位移量；步骤三：将步骤二中提取的保护罩装药槽底点位移量作为输入条件，对保护罩初始三维模型进行拓扑优化，设置以最小柔度为目标函数的优化方式，划定优化冻结区域，即不进行优化的区域；计算得到优化后的保护罩材料布局形式，以确定在保证保护罩结构刚度的情况下，适合进行优化设计的区域，称为待优化区域；步骤四：对步骤一中建立的分离装置初始三维模型进行动力学分析：将步骤一中选取的材料本构模型及参数赋予分离装置中的紧固件、分离板和保护罩模型，设定爆炸参数，关闭流场边界反射，对分离装置建立对称边界条件，同时对分离板左右两端建立完全固定约束，建立流固耦合关系；对分离装置初始三维模型进行动力学分析，记录分析结果中分离装置临界分离药量以及保护罩破坏程度；根据实验数据设置分离装置的分离药量，按照装药量的最小变化量降低分离药量，直至分离板预置缺陷处恰好断开，则记录当前药量作为临界分离药量，并建立保护罩优化评价标准；步骤五：提取步骤三中保护罩适合优化设计的区域作为待优化区域，结合分离装置初始三维模型在步骤四的动力学仿真中保护罩结构对分离装置临界分离药量以及保护罩破坏程度的影响，对待优化区域划分为若干待优化尺寸；步骤六：将初始三维模型中的待优化尺寸作为尺寸的优化基准值，结合保护罩强度校核方式，以按比例、逐个、逐次缩减保护罩待优化尺寸的方式，对缩减尺寸后的构型进行步骤四中的动力学分析，记录缩减保护罩单个待优化尺寸后，分离装置的临界分离药量以及保护罩结构强度；尺寸缩减直至动力学分析中临界分离药量变化量突破限制要求或是保护罩不再满足强度校核要求时，停止尺寸缩减并记录对应尺寸的最大缩减量；步骤七：依据步骤六中保护罩结构尺寸的最大缩减量，对保护罩相应结构尺寸在爆炸分离过程中的功能进行判断及趋势分析，从而获取保护罩待优化尺寸的参数敏感度；步骤八：根据步骤七中分析所得待优化尺寸的参数敏感度，对所述优化保护罩模型进行尺寸优化分析，得到所述特征参数的尺寸的最优结果，即基于有限元分析实现保护罩结构优化。

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