本发明涉及一种带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，属于航空航天多体相对运动。
背景技术：
1、多体分离是航空航天领域一种常见的飞行任务，根据不同的任务类型由串联分离、并联分离、自由投放和尾退分离等形式。随着飞行任务的多样化，近几年在高速飞行器分离过程中，尾退分离方式得到了越来越多的应用。
2、分离过程对分离时刻的飞行条件、分离初始条件等参数较为敏感，在尾退分离场景中，分离过程可分为有滑移铰约束的出舱阶段和无滑移铰约束的距离远离阶段。出舱结束时刻运动数据的精度对后一阶段的分离结果有明显影响。而在分离体出舱阶段，滑移铰的约束，不仅对分离体的运动有明显影响，对运载器运动的影响也是存在的。此时，由运载器、滑移铰和分离体组成的多体动力学系统，可看做一个变形的组合体，随着分离体的后移，组合体的质心后移，组合体的稳定性发生变化，进而导致姿态角变化。因此，准确模拟滑移铰约束下的出舱阶段对整个尾退分离过程的模拟精度有着重要影响。现有的尾退分离数值模拟研究多忽略运载器与分离体间的约束，或采用近似的方法模拟。这种情况下，初始阶段运载器和分离体的姿态角、角速度的模拟精度难以保证，对于精确模拟包含滑移铰约束和约束解除后各自作六自由度的尾退分离全过程的研究未见公开报道。
技术实现思路
1、本发明解决的技术问题是：针对尾退分离数值模拟技术的不足，提供了一种精确模拟带滑移铰约束的尾退分离过程数值模拟方法，提高尾退分离数值模拟结果的精度和可靠性。
2、本发明提供的技术方案如下：
3、一种带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，包括：
4、s1、将待分离系统的各组成部件分别划分为非结构网格；
5、s2、将所述非结构网格进行网格装配，并计算静态流场，获得气动力；
6、s3、根据所述气动力以及质量特性、几何参数和运动参数构造待分离系统各组成部件的传递矩阵；
7、s4、根据所述待分离系统各组成部件的传递矩阵以及待分离系统各组成部件的几何关系，构造系统总传递矩阵；
8、s5、根据待分离系统的边界条件，求解所述总传递矩阵方程，更新系统边界状态矢量；
9、s6、根据所述步骤s3中待分离系统各组成部件的传递矩阵和所述步骤s5中系统边界状态矢量，更新待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量；
10、s7、根据所述步骤s6中待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量和所述步骤s2中气动力，更新待分离系统的广义位移和广义速度；
11、s8、根据所述待分离系统的广义位移和广义速度，更新网格坐标和网格速度；
12、s9、根据所述网格坐标和网格速度，进行网格装配，并计算动态流场，获得气动力；
13、s10、判断待分离系统是否达到最大约束位移sr,max，若是，转入两级自由运动的分离过程数值模拟，否则，返回步骤s3。
14、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述步骤s2中，将非结构网格进行网格装配过程中，对每套网格中的各个网格单元在其他网格中搜索其存在的宿主单元，以物面距为网格单元分类准则，将网格单元分为计算单元、插值单元和非活跃单元，针对插值单元确定其各宿主单元流场变量到插值单元的插值系数；
15、所述步骤s2中，通过有限体积法，求解雷诺平均navier-stokes方程计算静态流场，获得气动力。
16、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s3中，根据传递矩阵法构造运载器、分离体和滑移铰的传递矩阵，将运载器和分离体视为刚体，其传递矩阵为刚体类型传递矩阵，滑移铰的传递矩阵为滑移铰类型传递矩阵。
17、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s4中，尾退分离多体动力学系统各组成部件的几何关系为：运载器的输出端与滑移铰的输入端连接，滑移铰的输出端与分离体的输入端连接；尾退分离多体动力学系统的总传递矩阵为：
18、t系统＝t分离体t滑移铰t运载器
19、其中，t分离体为分离体传递矩阵，t滑移铰为滑移铰传递矩阵，t运载器为运载器传递矩阵。
20、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s5中，根据待分离系统的边界条件，求解所述总传递矩阵方程，更新系统边界状态矢量的方法包括：
21、所述尾退分离多体动力学系统的状态矢量定义为：
22、
23、其中，r为位移矢量，ω为惯性系下的角速度，m为内力矩，q为内力，为惯性系下的线加速度，为惯性系下的角加速度；
24、所述尾退分离的多体动力学系统的边界条件为：输入端和输出端m和q为0，和为未知量，求解系统总传递矩阵方程：
25、z系统，o＝t系统z系统，i
26、获得系统输入端的状态矢量z系统，i。
27、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述步骤s6中，根据待分离系统各组成部件的传递矩阵和系统边界状态矢量，更新待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量的方法为：
28、z运载器，i＝z系统，i，z运载器，o＝t运载器z运载器，i
29、z滑移铰，i＝z运载器，o，z滑移铰，o＝t滑移铰z滑移铰，i
30、z分离体，i＝z滑移铰，o，z分离体，o＝t分离体z分离体，i。
31、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s7中，根据待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量和气动力，更新待分离系统的广义位移和广义速度的方法包括：
32、定义尾退分离多体动力学系统的广义位移为运载器的质心位移、运载器姿态角和分离体沿滑移铰的相对位移sr，尾退分离多体动力学系统的广义速度为运载器的质心平移速度、绕运载器质心的角速度和分离体沿滑移铰运动的相对速度vr；
33、所述运载器的质心位移、姿态角、质心平移速度和绕运载器质心的角速度的更新方法包括：将步骤s2中计算得到的气动力和步骤s6中根据传递矩阵方程得到的内力和内力矩代入刚体六自由度运动方程，然后求解刚体六自由度运动方程，完成更新；
34、所述分离体沿滑移铰的相对位移sr和分离体沿滑移铰运动的相对速度vr的更新方法包括：根据步骤s6中待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量，求解分离体沿滑移铰作相对运动的线加速度ar，然后根据vr和ar更新sr和vr。
35、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s8中，根据待分离系统的广义位移和广义速度，更新网格坐标和网格速度的方法包括：
36、运载器的网格坐标直接根据运载器的质心位移和姿态角获得；
37、滑移铰输入、输出端的网格坐标根据运载器的质心位移、姿态角和相对位移sr获得；
38、分离体的网格坐标除了依赖运载器的质心位移和姿态角外，还需要根据滑移铰的方向和输出端的坐标进行更新；
39、运载器的网格速度包括运载器质心平移速度和绕运载器质心的旋转速度；
40、分离体的网格速度由随运载器的牵连运动和相对运动组成，其中牵连运动速度根据运载器的质心平移速度和绕运载器质心的旋转速度确定，相对运动速度由沿滑移铰方向的相对运动速度大小vr确定；
41、滑移铰的网格与运载器固连在一起，网格速度根据运载器的质心平移速度和绕运载器质心的旋转速度获得。
42、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述步骤s9中，通过求解非定常雷诺平均navier-stokes方程urans获得动态流场，时间离散采用耦合双时间步的lu-sgs方法，边界条件设置和通量计算时考虑网格速度。
43、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述步骤s9计算动态流场，获得动态气动力后，还包括输出计算结果，所述计算结果分为数据分析类和流场展示类，其中数据分析类的计算结果包含运载器和分离体的六分量气动力、质心平移速度、绕质心旋转的角速度、质心位移和姿态角、沿滑移铰方向的相对位移、相对速度；流场展示类的计算结果包括物面压强、密度、温度等，空间压强、密度、温度、速度、马赫数。
44、在上述带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法中，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s11中，当滑移铰约束解除时刻，分离体的质心运动速度包括跟随运载器的牵连速度和相对运载器的相对速度，分离体的角速度与运载器的角速度相同，将此速度和角速度作为无约束阶段初始时刻分离体的速度和角速度。
45、本发明实施例与现有技术相比至少包括如下有益效果：
46、(1)、本发明实施例设计一种新型带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，包括将多体传递矩阵法引入到尾退分离的数值模拟过程中，通过准确模拟带滑移约束的多体动力学运动过程，提高了分离过程中运载器和分离体姿态和速度的模拟精度，进而为后续无几何约束过程的模拟提供了更加精确的初始条件，提高了尾退分离全过程的模拟精度和可靠性；
47、(2)、本发明实施例相比传统的忽略出舱阶段的数值模拟方法，提供了尾退分离全过程的数值模拟能力；
48、(3)、本发明实施例相比出舱过程中忽略滑移铰约束和采用近似约束的模拟方法，传递矩阵方法求解系统总传递矩阵方程仅增加极小的时间和内存占用，却能显著提升运动模拟的精度。
1.一种带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s2中，将非结构网格进行网格装配过程中，对每套网格中的各个网格单元在其他网格中搜索其存在的宿主单元，以物面距为网格单元分类准则，将网格单元分为计算单元、插值单元和非活跃单元，针对插值单元确定其各宿主单元流场变量到插值单元的插值系数；
3.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s3中，根据传递矩阵法构造运载器、分离体和滑移铰的传递矩阵，将运载器和分离体视为刚体，其传递矩阵为刚体类型传递矩阵，滑移铰的传递矩阵为滑移铰类型传递矩阵。
4.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s4中，尾退分离多体动力学系统各组成部件的几何关系为：运载器的输出端与滑移铰的输入端连接，滑移铰的输出端与分离体的输入端连接；尾退分离多体动力学系统的总传递矩阵为：
5.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s5中，根据待分离系统的边界条件，求解所述总传递矩阵方程，更新系统边界状态矢量的方法包括：
6.根据权利要求5所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s6中，根据待分离系统各组成部件的传递矩阵和系统边界状态矢量，更新待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量的方法为：
7.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s7中，根据待分离系统各组成部件输入、输出端的状态矢量和气动力，更新待分离系统的广义位移和广义速度的方法包括：
8.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s8中，根据待分离系统的广义位移和广义速度，更新网格坐标和网格速度的方法包括：
9.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s9中，通过求解非定常雷诺平均navier-stokes方程urans获得动态流场，时间离散采用耦合双时间步的lu-sgs方法，边界条件设置和通量计算时考虑网格速度。
10.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s9计算动态流场，获得动态气动力后，还包括输出计算结果，所述计算结果分为数据分析类和流场展示类，其中数据分析类的计算结果包含运载器和分离体的六分量气动力、质心平移速度、绕质心旋转的角速度、质心位移和姿态角、沿滑移铰方向的相对位移、相对速度；流场展示类的计算结果包括物面压强、密度、温度等，空间压强、密度、温度、速度、马赫数。
11.根据权利要求1所述的带滑移约束的尾退分离过程数值模拟方法，其特征在于，所述待分离系统为尾退分离多体动力学系统，包括运载器、分离体和滑移铰；所述步骤s11中，当滑移铰约束解除时刻，分离体的质心运动速度包括跟随运载器的牵连速度和相对运载器的相对速度，分离体的角速度与运载器的角速度相同，将此速度和角速度作为无约束阶段初始时刻分离体的速度和角速度。
