全文总字数：7689字
文献综述
1.课题背景与意义
载人登月、宇宙航行、人造卫星以及深空探索等地外航天活动是推动我国迈入航天强国、体现综合国力的重要战略部署。而且火箭引擎是我国航天技术和工业进步的坚实基石。几十年来，作为世界航天工业巨头的美国和俄罗斯尤其注重液体火箭发动机的开发，生产研制开发出了多种新型液体火箭发动机，奠定了其作为航天工业强国的国际地位[1]。为满足航天事业的需要，我国也开展了关于大推力，可重复使用的液体火箭发动机相关技术的深入研究[2]。由于火箭发动机动力学将会成为未来航空航天领域关键技术突破的重要基础学科，因此，动力学问题是值得系统性、规律性深入分析与研究的一个关键课题。目前，新型液体火箭发动机必须具有更好的推力质量比、更好的可靠性和更长的使用寿命。同时，还要求混合比和推力大小可大范围调节。这就是导致大推力发动机结构动力学的复杂性的根本原因。发动机机械结构环境更加复杂和恶劣，设计、制造和试验的难度将大大增加[3]。正是由于处在极端物理条件下运行的负载流体热动力系统，其工作条件载荷多变、力学环境复杂，故障的发生和发展极为迅速。发动机在研制过程中，总体结构曾多次出现密封泄露、管路断裂、焊缝开裂、紧固件失效、低频振动放大、振动测量失真等问题。此外，在研制过程中，还存在由于总体结构、布局的局部改进，对发动机其他组件产生了间接影响，导致出现重大故障的情况。总体结构是发动机发生故障概率最高的一类产品[4-10]。
虽然上述问题大多通过工程方法已得到较好解决，但受限于研究条件和研制进度的制约，在一定程度上对引发故障的深层机理，缺乏系统性和规律性的深入分析、研究。因此，发动机的结构动态特性是避免结构振动所引发的故障及事故、掌握发动机动态设计方法的基础。优化发动机总体结构是提升发动机整机设计裕度、简化研制流程的基础和保障。研究先进的总体设计方案，可以保证发动机各组件获得更高的可靠性。并大幅简化整机装测流程，这对于缩短发动机研制周期，减少研制经费至关重要。
随着计算机科学技术突飞猛进的发展，与机械工程相关的有限元分析软件也在不断地更新迭代。使用有限元软件对火箭发动机总体结构进行仿真分析，预估研判相比对其直接进行大规模试验更节约成本和时间，因此有限元仿真成为了设计火箭发动机尤其重要的一环[11]。运用有限元分析软件模拟火箭发动机的真实工况，确定其所存在的问题并结合软件进行优化，同时可进行试验对其准确性和可行性进行验证，这样既缩短了研发时间，减少了工作量，也节约了巨大成本，是当前工程设计师广为流传，颇多人应用的一种高效的设计方法[12]。但是大多数分析模型极其复杂，在软件中的操作步骤也会较为繁琐，即使是一名很有经验的CAE（Computer Aided Engineering）分析师也会很容易出错。而且大多数工程使用者并不是非常精通有限元软件，如果让他们去额外学习软件，则会耗时巨大且效率不高，严重跑偏了解决问题的关键方向。
ABAQUS是一款拥有强大分析计算能力的有限元软件，可以解决绝大部分复杂的工程实际问题。除此之外，它还根据用户的需求配备了多种二次开发的接口，通过接口与内核程序之间的数据传输可以很方便地实现参数化。其二次开发采用的Python语言具有可扩充性、面向对象等特点，并拥有丰富、强大的类库。基于ABAQUS二次开发功能，在满足其精度的条件下对模型进行简化，依据模型的几何结构提取出几何模型的特征参数值；其次利用CAE有限元软件的二次开发语言进行零部件三维模型的参数化建立以及前处理过程；之后利用参数化脚本建立二次插件，在插件截面内输入参数的具体数值，即可实现全自动化建模及前处理，使发动机结构设计相关尺寸数据、材料截面数据和网格数据等参数具有可变性；最后，在参数化模型的基础上，通过在Isight软件中集成ABAQUS的方法，针对两个优化变量，设定位移变形约束条件，对低阶的模态固有频率进行优化，从而为后续结构优化奠定基础。利用这种方式进行模型的结构动力学分析简便快捷，可以大幅度缩短发动机有限元建模时间，提高发动机参数优化设计效率。
2. 2. 国内外研究现状
2.1 参数化研究和二次开发
参数化研究一般体现在建模、仿真计算、数据提取和结构优化四个模块中。参数化设计也广泛应用于有限元分析软件中，例如ABAQUS。ABAQUS是一款拥有强大分析计算能力的有限元软件，它不仅可以解决简单的线性问题，还可以处理许多复杂的诸如结构力学、流体力学、固体力学、传热学等等问题。最让人青睐的是其可以驾驭庞大的高度非线性问题[13]。利用ABAQUS进行有限元分析时，通常会经历执行前处理、分析计算、后处理三个步骤。据有关研究统计，前处理的工作时间几乎占到总用时的一半，分析计算和后处理则占另外一半。而分析计算是软件自动完成的，它的时间长短取决于模型的大小和计算机的性能，从几个小时到几天不等。这个过程不能人为改变。那么人工干预的地方就只有前处理和后处理了。预处理的操作步骤复杂，且错误率极高，因此，如何缩短预处理的时间、简化步骤、节省人力物力是一个亟待解决的重要问题。于是乎，基于ABAQUS的二次开发策略就出现在了人们眼前。
最早的关于ABAQUS的参数化二次开发研究是来自于鲍荣浩在2003年发表的名为《ABAQUS前处理程序二次开发在蜂窝材料中的应用》的文章[14]，他们在文章中指出可以用ABAQUS内置的getInput()函数来进行人机交互式的输入，从而达到模型快速建立的目的，由此便打开了二次开发的大门。紧接着到了2006年，钟同圣、卫丰等人[15]详细介绍了接口Python语言在ABAQUS里的具体应用，并通过一个例子，对一个有着小孔的的电路板的快速建模以及划分网格的实例来补充说明，这无疑于又给二次开发带来了新的助推剂。随后在2008年-2011年之间，不仅诞生了后处理分析的二次开发，还有越来越多的研究人员开始脱离ABAQUS的界面，使用GUI（Graphics User Interface）图形用户交互界面创建自定义软件平台，由此二次开发的发展日渐完善。其中蒋雨升[16]在其硕士论文中详细阐述了GUI界面的具体使用方法和原理，并由此制作出了振动分析软件插件。与此同时，曹金凤教授在2011年出版了《Python语言在Abaqus中的应用》一书，出版至今已经重新印刷7次，深受国内外ABAQUS用户的欢迎，这表明以ABAQUS软件为代表的工程仿真计算软件已经成为当今热点技术方向，市场推广和工业应用在不断加速中，对提高仿真效率、实现知识工程化的需求非常旺盛。在2020年，该书发行了第二版，在第一版的基础上，扩展了部分功能，增加了更多的实例，把基于ABAQUS的二次开发再次推上了一个台阶。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
