專利名稱：一種發(fā)動機系統(tǒng)模塊化建模仿真方法
技術領域：
本發(fā)明是一種液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)仿真方法，屬于液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)動態(tài)過程仿真領域。
背景技術：
目前，對液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)的建模與仿真，大都是針對某一具體型號的發(fā)動機，建立數(shù)學 模型并編制計算機程序，然后再進行仿真計算和分析。這種方法很不靈活，缺乏通用性。每 當發(fā)動機方案變動或需要對不同的發(fā)動機的動態(tài)過程進行仿真計算時，需要花費很多的時間 和精力，重復復雜的建模過程，全部或者部分重新編制計算機程序。然而對于液體火箭發(fā)動 機這樣復雜的動力學系統(tǒng)，釆用上述方法仿真將需要浩大的軟件工作量，這往往妨礙了利用 數(shù)學模型和計箅機仿真技術對液體火箭發(fā)動機進行深入的分析和研究。為了改善這一現(xiàn)狀， 國防科技大學的劉昆等人開發(fā)了氫氧火箭發(fā)動機起動特性仿真軟件LRETMMSS。該仿真軟 件考慮液體火箭發(fā)動機起動和關機過程，采用管道-體積模塊劃分方法將液體火箭發(fā)動機系 統(tǒng)劃分為三大類共計21種部件模塊。伹是目前只適用于氫氧發(fā)動機，如果仿真其它類型的 發(fā)動機則需要對軟件進行大規(guī)模的改動，并且由于其模塊種類有限，仍然缺乏通用性。
隨著液體火箭發(fā)動機技術的不斷提高，部件的種類也越來越多，并且即使經(jīng)驗再豐富也 很難把所有的仿真需求都考慮周到，僅有21種部件模塊的仿真模塊庫，顯然不能滿足迅速 發(fā)展的液體火箭發(fā)動機仿真技術的要求。只有以一個可以不斷豐富的模塊庫為基礎的仿真技 術才能滿足液體火箭發(fā)動機的工程需求。 發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是為了解決在發(fā)動機系統(tǒng)仿真中的通用性缺乏問題，按照模塊化建模思想， 將發(fā)動機系統(tǒng)按物理邊界和實際功能分解為若干部件，分別對分解得到的各個部件建立仿真 模塊，再把各個部件的仿真l莫塊拼接成發(fā)動機系統(tǒng)，從而最終實現(xiàn)發(fā)動機系統(tǒng)的仿真。按照 模塊化建模思想，每個仿真模塊均擁有各自的參數(shù)和計算程序，只要給出合理的邊界條件， 每一個仿真模塊都能進行獨立的仿真計算。本發(fā)明構造了用來描述發(fā)動機參數(shù)的參數(shù)類，描 述仿真計算程序的程序類和用以獲得邊界條件的接口類，并利用上述參數(shù)類、程序類和接口
類，構造了用來描述發(fā)動機部件的部件類。本發(fā)明基于上述部件類構建了一個模塊庫，用來 存儲仿真模塊，與本領域內(nèi)其它方法中固定不變的模塊庫相比，可以靈活擴展。隨著模塊庫 的不斷擴展豐富，其中仿真模塊越來越全面，利用本發(fā)明進行發(fā)動機系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢才會越來越明顯，功能也將越來越強大，從而達到提高通用性的目的。
利用本發(fā)明提供的仿真方法進行液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)仿真，具有通用性，具有以下步驟: 步驟一、首先根據(jù)組成發(fā)動機系統(tǒng)的部件從模塊庫中選擇仿真模塊，當發(fā)動機仿真過程
要用到模塊庫中不包含的仿真模塊時，需要創(chuàng)建新的仿真模塊來擴展模塊庫，然后再用于發(fā)
動機仿真系統(tǒng)中，所述擴展模塊庫包括以下步驟
a) 創(chuàng)建仿真模塊。上述模塊庫是基于部件類構建的，即模塊庫中的仿真模塊都是使用部 件類來創(chuàng)建。部件類由參數(shù)類、程序類和接口類構建。作為部件類的對象，仿真模塊具有編 輯參數(shù)、計算程序和接口的能力，但是一個新創(chuàng)建的仿真模塊尚不包含任何參數(shù)、計算程序 和接口，但可以添加。
b) 為仿真模塊編輯和設置參數(shù)。作為參數(shù)類的對象， 一個參數(shù)具有名稱、類型、初始值 等屬性，其功用在于可以存儲數(shù)據(jù)，并在計算程序中使用。所述的參數(shù)與發(fā)動機仿真過程的實
際參數(shù)對應。
c) 為仿真模塊編輯計算程序，用于模擬實際發(fā)動機的工作情況。作為程序類的對象，其 功用在于存儲計算程序代碼和利用已經(jīng)編輯好的參數(shù)進行數(shù)學計算。本發(fā)明利用一個模擬的 C語言編輯器來實現(xiàn)代碼的運算。
d) 為仿真模塊編輯接口，用于與其它模塊進行連接和數(shù)據(jù)交換。作為接口類的對象，接 口的功用在于連接發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真l莫塊并在它們之間傳遞數(shù)據(jù)，在仿真計算之前獲取仿 真模塊的邊界條件。
e) 將仿真模塊以文件的形式保存到模塊庫中，以備搭建發(fā)動機系統(tǒng)時使用。
步驟二、把仿真模塊連接成發(fā)動機仿真系統(tǒng)。
每個仿真模塊都具有若干個接口，每兩個仿真模塊之間通過一對接口進行連接，若干個 仿真模塊連接后形成一個新的仿真模塊。如果發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真模塊數(shù)量過于龐大，可以 先將相連的多個模塊整合為一個新的模塊。
所述的整合是利用部件的類的整合功能來實現(xiàn)的，部件類的構造是嵌套的，所以仿真模 塊中也可以嵌套仿真模塊，本發(fā)明利用這種嵌套的特性實現(xiàn)整合。
步驟三、設置系統(tǒng)仿真參數(shù)，進行仿真運算，并顯示仿真結果。
發(fā)動機仿真系統(tǒng)搭建完畢之后，設置積分步長和算法，然后進行仿真運算和結果顯示。 相比發(fā)動機仿真領域內(nèi)其它方法，本發(fā)明所具有的優(yōu)點在于
(1) 模塊庫是基于所述的部件類構建的，具有可擴展性。
(2) 模塊庫中的仿真模塊是以文件的形式存儲的，具有可移植性。
(3) 本發(fā)明具備整合發(fā)動機仿真模塊的能力。
(4) 本發(fā)明具有通用性，可用于仿真不同的發(fā)動機系統(tǒng)。


圖l是本發(fā)明仿真方法的流程圖； 圖2是簡單仿真模塊結構示意圖3為用已有的仿真模塊整合為一個新的仿真模塊的結構示意圖。 圖中l(wèi)一仿真模塊，2 —接口， 3—新的仿真模塊
具體實施例方式
結合附圖和實施例對本發(fā)明的仿真方法進行詳細說明。
本發(fā)明提供一種一種發(fā)動機系統(tǒng)模塊化仿真方法，應用該仿真方法進行液體火箭發(fā)動機 系統(tǒng)仿真，具有通用性，如圖1所示，具有以下步驟
步驟一、首先根據(jù)組成發(fā)動機系統(tǒng)的部件從模塊庫中選擇仿真模塊，當發(fā)動機仿真過程 要用到模塊庫中不包含的仿真模塊時，需要創(chuàng)建新的仿真模塊來擴展模塊庫，然后再用于發(fā) 動機仿真系統(tǒng)中，所述擴展模塊庫包括以下步驟
(a) 創(chuàng)建仿真模塊。上述模塊庫是基于部件類構建的，即模塊庫中的仿真模塊都是使用部 件類來創(chuàng)建。部件類由參數(shù)類、程序類和接口類構建。作為部件類的對象，仿真模塊具有編 輯參數(shù)、計算程序和接口的能力。 一個新創(chuàng)建的仿真模塊尚不包含任何參數(shù)、計算程序和接 口，但可以添加。
(b) 為仿真模塊編輯和設置參數(shù)。作為參數(shù)類的對象， 一個參數(shù)具有名稱、類型、初始值 等屬性，其功用在于可以存儲數(shù)據(jù)，并在計算程序中使用。所述的參數(shù)與發(fā)動機仿真過程的實
際參數(shù)對應。
(c) 為仿真模塊編輯計算程序，用于模擬實際發(fā)動機的工作情況。作為程序類的對象，其 功用在于存儲計算程序代碼和利用已經(jīng)編輯好的參數(shù)進行數(shù)學計算。本發(fā)明利用一個模擬的 C語言編輯器來實現(xiàn)代碼的運算。
(d) 為仿真模塊編輯接口，用于與其它模塊進行連接和數(shù)據(jù)交換。作為接口類的對象，接 口的功用在于連接發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真模塊并在它們之間傳遞數(shù)據(jù)，在仿真計算之前獲取仿 真模塊的邊界條件。
(e) 將仿真模塊以文件的形式保存到模塊庫中，以備搭建發(fā)動機系統(tǒng)時使用。 模塊庫中的仿真模塊都按照以上五個步驟進行擴展和更新。如圖2所示， 一個仿真模塊1
具有編輯參數(shù)、計算程序和接口的能力，仿真模塊1具有若干接口2，每個接口2可以用來 輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。
步驟二、把仿真模塊連接成發(fā)動機仿真系統(tǒng)。
如果發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真模塊數(shù)量過于龐大，可以先將相連的多個仿真l莫塊整合為一個 新的仿真模塊，存儲在模塊庫中。如圖3所示，每兩個仿真模塊1之間通過一對接口 2進行連接，若干個仿真t莫^il連接后形成一個新的仿真模塊3，存儲在模塊庫中。
步驟三、設置系統(tǒng)仿真參數(shù)，進行仿真運算，并顯示仿真結果。發(fā)動機仿真系統(tǒng)搭建完 畢之后，設置積分步長和算法，然后進行仿真運算和結果顯示。 實施 例
以一個包括一個燃料貯箱和一段輸送管路的簡單發(fā)動機系統(tǒng)為例，燃料貯箱的出口與管
路的入口相連，管路的出口與外界大氣相連。從零時刻開始有水從燃料jie箱中流進短直管路， 并使得短直管路中的流量從零開始逐漸增加，仿真總時間為i秒，步長為0.01秒。對此系 統(tǒng)進行仿真的目的是獲得短直管路中的流量變化曲線。假設燃料ie箱出口的壓強和管路出口 壓強都恒定不變，燃料貯箱中水儲量充足，不計重力；管路是短直管路，采用集中參數(shù)法建 立數(shù)學模型。管路的數(shù)學模型描述如下管路中當前時刻的流量是管路中上一時刻的流量、
管路入口的壓強和管路出口的壓強的函數(shù)，并做如下假設水的密度為1.0e3Kg/m 管路的 慣性系數(shù)為0.005，流阻系數(shù)為0.001。利用本發(fā)明進行仿真的步驟包括
步驟一、往模塊庫里添加燃料貯箱的仿真纟莫塊和管路的仿真模塊，包括以下步驟
a) 創(chuàng)建燃料貯箱仿真模塊，名為燃料貯箱。創(chuàng)建管路仿真模塊，名為管路。
b) 為燃料貯箱仿真模塊設置兩個參數(shù)
1、 描述燃料貯箱中壓力的參數(shù)，名稱為Pt，類型為double,初值為5Mpa;
2、 描述燃料貯箱中水的密度參數(shù)，名稱為。類型為double,初值為1.0e3Kg/m3; 為管路仿真模塊設置五個參數(shù)
1、 描述管路入口壓力的參數(shù)，名稱為P,，類型為double，初值為0.1MPa;
2、 描述管路出口壓力的參數(shù)，名稱為&,類型為double，初值為0.1MPa;
3、 描述管路中流量的參數(shù)，名稱為m，類型為double，初值為OKg/s;
4、 描述管路慣性系數(shù)的參數(shù)，名稱為"，類型為double，初值為l.Oe-5Kg'S/cm3;
5、 描述管路流阻系數(shù)的參數(shù)，名稱為e，類型為double,初值為5.0e-6Kg'sVcm、
c) 燃料肥箱的壓力Pt恒定與初值相等，因此燃料歌箱仿真模塊中不必添加計算程序。
按照管路的數(shù)學模型，為管路仿真模塊添加計箅程序 w = ot + c^*(XA -尸2 -e*w*w/r》/c/，
其中dt為時間步長0.01秒，是系統(tǒng)自動添加的參數(shù)，系統(tǒng)自動添加的參數(shù)還有時間 t,初值為0;
d) 為燃料貯箱設置一個接口，接口中有一個輸出參數(shù)Pt。為管路設置兩個接口，其中 一個接口有一個輸入?yún)?shù)Pp另一個接口有一個輸入?yún)?shù)P2。
e) 將新創(chuàng)建的燃料貯箱仿真模塊和管路仿真模塊保存到+莫塊庫中。
步驟二、從模塊庫中選取燃料貯箱仿真模塊和管路仿真模塊，把燃料貯箱仿真模塊的接口和管路仿真模塊的接口連接，形成仿真系統(tǒng)，完成仿真系統(tǒng)的搭建。
步驟三、設置步長dt為0.1秒，計算總時間為1秒，算法采用歐拉法，設置管路流量m為
需要顯示參數(shù)。
從t-O時開始系統(tǒng)仿真計算，系統(tǒng)仿真計算包括多次迭代計算，每次迭代計算都會讓系 統(tǒng)所有仿真模塊中的計算程序運行一次，再把系統(tǒng)參數(shù)t增長0.1秒，然后進行下一次迭代 計算，直到t-l秒仿真計算結束。
權利要求
1、一種發(fā)動機系統(tǒng)模塊化仿真方法，其特征在于步驟一、首先根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)從模塊庫中選擇仿真模塊，當發(fā)動機仿真過程要用到模塊庫中不包含的仿真模塊時，需要創(chuàng)建新的仿真模塊來擴展模塊庫，然后再用于發(fā)動機仿真系統(tǒng)中，所述擴展模塊庫包括以下步驟1)創(chuàng)建仿真模塊；仿真模塊具有編輯參數(shù)、計算程序和接口的能力，一個新創(chuàng)建的仿真模塊尚不包含任何參數(shù)、計算程序和接口；2)為仿真模塊編輯和設置參數(shù)；作為參數(shù)類的對象，所述的參數(shù)具有名稱、類型、初始值、單位等屬性；所述的參數(shù)與發(fā)動機仿真過程的實際參數(shù)對應；3)為仿真模塊編輯計算程序，用于模擬實際發(fā)動機的工作情況；計算程序作為程序類的對象，用于存儲計算程序代碼和利用已經(jīng)編輯好的參數(shù)進行數(shù)學計算；4)為仿真模塊編輯接口，用于與其它模塊進行連接和數(shù)據(jù)交換；所述接口作為接口類的對象，用于連接發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真模塊并在它們之間傳遞數(shù)據(jù)，在仿真計算之前獲取仿真模塊的邊界條件；5)將仿真模塊保存到模塊庫中，以備搭建發(fā)動機仿真系統(tǒng)時使用；步驟二、把仿真模塊連接成發(fā)動機仿真系統(tǒng)；每個仿真模塊都具有若干個接口，每兩個仿真模塊之間通過一對接口進行連接，用來輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，若干個仿真模塊連接后形成一個發(fā)動機仿真系統(tǒng)；步驟三、設置系統(tǒng)仿真參數(shù)，進行仿真運算，并顯示仿真結果。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種發(fā)動機系統(tǒng)模塊化仿真方法，其特征在于步驟二中如果發(fā)動機系統(tǒng)中的仿真模塊數(shù)量過于龐大，則先將相連的多個仿真模 塊整合為一個新的仿真模塊，存儲在模塊庫中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)模塊化仿真的方法。本發(fā)明按照模塊化建模思想，首先根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)從模塊庫中選擇仿真模塊，當發(fā)動機仿真過程要用到模塊庫中不包含的仿真模塊時，需要創(chuàng)建新的仿真模塊來擴展模塊庫，把仿真模塊連接成發(fā)動機仿真系統(tǒng)；最后設置系統(tǒng)仿真參數(shù)，進行仿真運算，并顯示仿真結果。本發(fā)明解決了在發(fā)動機系統(tǒng)仿真技術中的通用性缺乏問題，提高發(fā)動機系統(tǒng)仿真的效率、縮短研發(fā)時間。
文檔編號G06F17/50GK101576939SQ20091008704
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權日2009年6月22日
發(fā)明者張黎輝, 徐姍姍, 偉 李, 晨 李, 娜 段, 輝 潘 申請人:北京航空航天大學