一種基于流固耦合的傘降仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于流固耦合的傘降仿真方法，利用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)外界風(fēng)場(chǎng)作用下的傘降過(guò)程進(jìn)行分析。本發(fā)明方法首先建立傘降過(guò)程的有限元模型，然后利用流固耦合方法對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算；所述建立傘降過(guò)程的有限元模型，具體包括以下步驟：步驟1、建立包括傘衣、傘繩、加強(qiáng)帶、載荷及流場(chǎng)的網(wǎng)格模型；步驟2、根據(jù)外界風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流方向，定義流場(chǎng)網(wǎng)格的迎風(fēng)面，并以外界風(fēng)場(chǎng)的速度—時(shí)間曲線作為所述迎風(fēng)面的邊界條件；步驟3、定義流場(chǎng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式與載荷的運(yùn)動(dòng)方式相同。本發(fā)明充分考慮了外界風(fēng)場(chǎng)對(duì)三維降落傘減速的影響，從而有效模擬真實(shí)外界風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)開(kāi)傘過(guò)程的力學(xué)作用，使得傘降過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況。
【專利說(shuō)明】一種基于流固耦合的傘降仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傘降仿真方法，尤其涉及一種基于流固耦合的傘降仿真方法，利用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)外界風(fēng)場(chǎng)作用下的傘降過(guò)程進(jìn)行分析，可為降落傘設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考。
【背景技術(shù)】
[0002]降落傘以重量輕，減速效果好等特點(diǎn)在航空、航天以及兵器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而降落傘的傘降過(guò)程卻是一個(gè)典型的流固耦合、強(qiáng)非線性時(shí)變系統(tǒng):柔性織物在內(nèi)、外流場(chǎng)的作用下發(fā)生急劇大變形，這是一個(gè)幾何非線性與材料非線性并存的瞬間大變形結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；而傘衣內(nèi)外流場(chǎng)也十分復(fù)雜，傘衣內(nèi)部為顯著的湍流狀態(tài)，外部存在嚴(yán)重的分離現(xiàn)象。針對(duì)這一強(qiáng)非線性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外普遍采用松散耦合的方法對(duì)降落傘充氣展開(kāi)進(jìn)行研究，但是松散耦合在流體計(jì)算時(shí)無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)慣性力的影響，并且不考慮織物應(yīng)力和應(yīng)變，同時(shí)也不考慮降落傘在空間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(Yu L, Ming X.Study on transientaerodynamic characteristics of parachute opening process.Acta MechanicaSinica, 2007, 23(6): 627-633.)。而現(xiàn)有基于ALE的流固耦合方法很好的考慮了結(jié)構(gòu)慣性力和織物力學(xué)特性，但只能模擬風(fēng)洞條件下傘衣充氣過(guò)程(可以參考:程涵，余莉，李勝全.基于ALE的降落傘充氣過(guò)程數(shù)值仿真.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44(3):290-293.)，無(wú)法同時(shí)考慮降落傘完整的工作過(guò)程和外界風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)閮烧咴诤娇蘸教旎厥疹I(lǐng)域中分別屬于有限質(zhì)量情況和無(wú)限質(zhì)量情況研究范疇(可以參考:王利榮.降落傘理論與應(yīng)用.北京:宇航出版社，1997)。
[0003]外界風(fēng)場(chǎng)環(huán)境不僅影響降落傘的空中運(yùn)動(dòng)軌跡、傘載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到著陸位置，更重要的是外界風(fēng)場(chǎng)會(huì)對(duì)開(kāi)傘過(guò)程會(huì)產(chǎn)生巨大的影響:(1)影響充氣時(shí)間，進(jìn)而影響過(guò)載變化；(2)影響傘衣外形，在不利風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下甚至可能出現(xiàn)傘衣扭轉(zhuǎn)，無(wú)法打開(kāi)等現(xiàn)象。針對(duì)外界風(fēng)場(chǎng)環(huán)境影響研究，目前主要依賴大量的實(shí)物空投試驗(yàn)，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集困難，很難對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響評(píng)估。而現(xiàn)有數(shù)值仿真方法無(wú)法考慮風(fēng)場(chǎng)對(duì)傘降過(guò)程的影響，為解決這一技術(shù)難題，需要對(duì)現(xiàn)有的流固耦合方法進(jìn)行改進(jìn)。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有基于流固耦合的傘降仿真技術(shù)的不足，提供一種于流固耦合的傘降仿真方法，充分考慮了外界風(fēng)場(chǎng)對(duì)三維降落傘減速的影響，從而有效模擬真實(shí)外界風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)開(kāi)傘過(guò)程的力學(xué)作用，使得傘降過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況。
[0006]本發(fā)明的基于流固耦合的傘降仿真方法，首先建立傘降過(guò)程的有限元模型，然后利用流固耦合方法對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算；所述建立傘降過(guò)程的有限元模型，具體包括以下步驟:步驟1、建立包括傘衣、傘繩、加強(qiáng)帶、載荷及流場(chǎng)的網(wǎng)格模型；
步驟2、根據(jù)外界風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流方向，定義流場(chǎng)網(wǎng)格的迎風(fēng)面，并以外界風(fēng)場(chǎng)的速度一時(shí)間曲線作為所述迎風(fēng)面的邊界條件；
步驟3、定義流場(chǎng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式與載荷的運(yùn)動(dòng)方式相同。
[0007]優(yōu)選地，所述建立包括傘衣、傘繩、加強(qiáng)帶、載荷及流場(chǎng)的網(wǎng)格模型，具體如下:采用殼單元對(duì)傘衣和載荷劃分網(wǎng)格，采用桿單元對(duì)傘繩和加強(qiáng)帶劃分網(wǎng)格，采用體單元?jiǎng)澐至鲌?chǎng)網(wǎng)格；其中，流場(chǎng)網(wǎng)格與傘衣網(wǎng)格、傘繩網(wǎng)格、加強(qiáng)帶網(wǎng)格、載荷網(wǎng)格相互穿插。
[0008]優(yōu)選地，所述外界風(fēng)場(chǎng)的速度一時(shí)間曲線通過(guò)預(yù)先實(shí)際測(cè)量外界風(fēng)場(chǎng)得到。
[0009]優(yōu)選地，所述定義流場(chǎng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式與載荷的運(yùn)動(dòng)方式相同，具體通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn):
在載荷網(wǎng)格中選取三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，假設(shè)其空間坐標(biāo)矢量分別為AA和A，則根據(jù)這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)可以定義一個(gè)坐標(biāo)系:
【權(quán)利要求】
1.一種基于流固耦合的傘降仿真方法，首先建立傘降過(guò)程的有限元模型，然后利用流固耦合方法對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算；其特征在于，所述建立傘降過(guò)程的有限元模型，具體包括以下步驟: 步驟1、建立包括傘衣、傘繩、加強(qiáng)帶、載荷及流場(chǎng)的網(wǎng)格模型； 步驟2、根據(jù)外界風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流方向，定義流場(chǎng)網(wǎng)格的迎風(fēng)面，并以外界風(fēng)場(chǎng)的速度一時(shí)間曲線作為所述迎風(fēng)面的邊界條件； 步驟3、定義流場(chǎng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式與載荷的運(yùn)動(dòng)方式相同。
2.如權(quán)利要求1所述基于流固耦合的傘降仿真方法，其特征在于，所述建立包括傘衣、傘繩、加強(qiáng)帶、載荷及流場(chǎng)的網(wǎng)格模型，具體如下:采用殼單元對(duì)傘衣和載荷劃分網(wǎng)格，采用桿單元對(duì)傘繩和加強(qiáng)帶劃分網(wǎng)格，采用體單元?jiǎng)澐至鲌?chǎng)網(wǎng)格；其中，流場(chǎng)網(wǎng)格與傘衣網(wǎng)格、傘繩網(wǎng)格、加強(qiáng)帶網(wǎng)格、載荷網(wǎng)格相互穿插。
3.如權(quán)利要求1所述基于流固耦合的傘降仿真方法，其特征在于，所述外界風(fēng)場(chǎng)的速度一時(shí)間曲線通過(guò)預(yù)先實(shí)際測(cè)量外界風(fēng)場(chǎng)得到。
4.如權(quán)利要求1所述基于流固耦合的傘降仿真方法，其特征在于，所述定義流場(chǎng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)方式與載荷的運(yùn)動(dòng)方式相同，具體通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn):在載荷網(wǎng)格中選取三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，假設(shè)其空間坐標(biāo)矢量分別為AA和B，則根據(jù)這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)可以定義一個(gè)坐標(biāo)系:
5.如權(quán)利要求1所述基于流固耦合的傘降仿真方法，其特征在于，所述流固耦合方法為任意拉格朗日流固耦合方法。
6.如權(quán)利要求5所述基于流固耦合的傘降仿真方法，其特征在于，在利用任意拉格朗日流固耦合方法對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，空氣和傘衣相互間作用采用罰函數(shù)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算直至折疊傘衣完全打開(kāi)并進(jìn)入穩(wěn)降階段。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103559335SQ201310482373
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】余莉, 程涵, 言今, 楊雪, 展亞南, 陳瀟 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)