CN103559335B - 一种基于流固耦合的伞降仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流固耦合的伞降仿真方法，利用计算机仿真方法对外界风场作用下的伞降过程进行分析。本发明方法首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤：步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型；步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件；步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。本发明充分考虑了外界风场对三维降落伞减速的影响，从而有效模拟真实外界风场环境对开伞过程的力学作用，使得伞降过程的计算机仿真结果更接近真实情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种伞降仿真方法，尤其涉及一种基于流固耦合的伞降仿真方法，利用计算机仿真方法对外界风场作用下的伞降过程进行分析，可为降落伞设计人员提供设计参考。
背景技术
降落伞以重量轻，减速效果好等特点在航空、航天以及兵器等领域有着广泛的应用。而降落伞的伞降过程却是一个典型的流固耦合、强非线性时变系统：柔性织物在内、外流场的作用下发生急剧大变形，这是一个几何非线性与材料非线性并存的瞬间大变形结构动力学问题；而伞衣内外流场也十分复杂，伞衣内部为显著的湍流状态，外部存在严重的分离现象。针对这一强非线性问题，国内外普遍采用松散耦合的方法对降落伞充气展开进行研究，但是松散耦合在流体计算时无法考虑结构惯性力的影响，并且不考虑织物应力和应变，同时也不考虑降落伞在空间的运动过程（Yu L, Ming X. Study on transientaerodynamic characteristics of parachute opening process. Acta MechanicaSinica, 2007, 23(6): 627-633.）。而现有基于ALE的流固耦合方法很好的考虑了结构惯性力和织物力学特性，但只能模拟风洞条件下伞衣充气过程（可以参考：程涵,余莉,李胜全. 基于ALE的降落伞充气过程数值仿真.南京航空航天大学学报,2012, 44(3): 290-293.），无法同时考虑降落伞完整的工作过程和外界风场，因为两者在航空航天回收领域中分别属于有限质量情况和无限质量情况研究范畴（可以参考：王利荣.降落伞理论与应用.北京:宇航出版社,1997）。
外界风场环境不仅影响降落伞的空中运动轨迹、伞载系统运动稳定性，进而影响到着陆位置，更重要的是外界风场会对开伞过程会产生巨大的影响：（1）影响充气时间，进而影响过载变化；（2）影响伞衣外形，在不利风场环境下甚至可能出现伞衣扭转，无法打开等现象。针对外界风场环境影响研究，目前主要依赖大量的实物空投试验，但试验数据收集困难，很难对风场影响评估。而现有数值仿真方法无法考虑风场对伞降过程的影响，为解决这一技术难题，需要对现有的流固耦合方法进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于流固耦合的伞降仿真技术的不足，提供一种于流固耦合的伞降仿真方法，充分考虑了外界风场对三维降落伞减速的影响，从而有效模拟真实外界风场环境对开伞过程的力学作用，使得伞降过程的计算机仿真结果更接近真实情况。
本发明的基于流固耦合的伞降仿真方法，首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤：
步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型；
步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件；
步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。
优选地，所述建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型，具体如下：采用壳单元对伞衣和载荷划分网格，采用杆单元对伞绳和加强带划分网格，采用体单元划分流场网格；其中，流场网格与伞衣网格、伞绳网格、加强带网格、载荷网格相互穿插。
优选地，所述外界风场的速度—时间曲线通过预先实际测量外界风场得到。
优选地，所述定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同，具体通过以下方法实现：
在载荷网格中选取三个参考节点，假设其空间坐标矢量分别为、和，则根据这三个参考节点可以定义一个坐标系：
其中，、和分别为该坐标系的三个轴矢量，为该局部坐标系原心坐标；定义流场网格相对于该坐标系静止，从而实现流场网格运动与载荷运动一致。
本发明在现有伞降过程流固耦合仿真分析方法的基础上，充分考虑外界风场的影响，在流场网格中根据外界风场定义出迎风面，并设定迎风面的速度边界条件，固定的迎风面及其速度边界条件保证了外界风场的施加不受网格运动影响；本发明同时定义流场网格跟随载荷同步运动，减少了外界风场域的计算量。相比现有技术，本发明不仅可以获得大量的伞衣结构和流场信息，更重要的是可以获得在外界风场作用下，降落伞减速性能，对降落伞在不利外界环境下开伞性能进行评估，给降落伞设计人员提供设计参考，减少实物空投试验次数，节约设计成本，减少设计周期。
附图说明
图1 是伞衣、伞绳、加强带和假人网格模型；
图2是流场网格模型；
图3是包含伞衣、伞绳、加强带、假人以及流场的完整有限元模型，图中A、B分别表示定义的两个迎风面；
图4 是图3的局部放大图；
图5是外界风场速度条件；
图6是流场运动坐标系示意图，其中三个黑点是在假人模型上任选的三个节点；
图7是0.08s时伞衣外形变化；
图8是0.7s时伞衣外形变化；
图9是1.01s时伞衣外形变化；
图10是0.08s时流场速度矢量图；
图11是0.7s时流场速度矢量图；
图12是1.01s时流场速度矢量图；
图13是有无外界风场情况下假人下降速度变化对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明针对现有流固耦合的伞降数值仿真方法难以对外界风场影响进行分析的不足，将风场融入流场信息中，从而建立起考虑了外界风场影响的有限元模型，然后利用流固耦合方法对所建立的有限元模型进行分析计算。本发明基于流固耦合的伞降仿真方法，具体包括以下步骤：
步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型。
在利用有限元进行伞降过程的仿真中，首先需要建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷的降落伞系统以及流场的网格模型。网格模型的建立可采用各种现有方法，例如，可参考文献（曾攀, 雷丽萍, 方钢. 基于ANSYS平台有限元分析手册 结构的建模与分析.机械工业出版社，2011年第一版，29-99）。本发明优选以下方法：采用壳单元对伞衣和载荷划分网格，采用杆单元对伞绳和加强带划分网格，采用体单元划分流场网格；其中，流场网格与伞衣网格、伞绳网格、加强带网格、载荷网格相互穿插。
图1-图4显示了本发明所所建立的网格模型的一个实例，其中，图1显示了伞衣、伞绳、加强带、载荷的网格模型，如图所示，折叠伞衣用3节点三角形壳单元划分，伞绳和加强带用2节点杆单元划分，半身假人载荷用3节点三角形单元划分。图2为用8节点六面体单元划分的流场域，其中初始轨迹角为10°。所建立的完整有限元网格模型如图3（为了方便观察该图仅显示流场网格轮廓）所示，图4为图3的局部放大图。
步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件。
根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，以图1-图4所显示的有限元网格模型为例，假设实测风向为水平方向，此外根据初始轨迹角，则在图3的流场模型中设定流场网格的A面和B面为迎风面。然后设定迎风面的边界条件为入口速度条件，即以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件。本发明中，通过预先实测外界风速数据，拟合出如图5所示的风速随时间变化的曲线；在迎风面上定义速度边界，速度边界选择图5所示的拟合曲线，而迎风面上的速度边界方向为沿Y轴正方向，即该伞是逆风开伞。
步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。
为了减少外界风场域的计算量，本发明定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同，选择载荷模型上任意三点，确定局部坐标系，定义整个流场网格跟随该坐标系运动，即实现流场网格跟随载荷运动。如图6所示，选定载荷（即本实施例中的半身假人模型）上任意三个网格节点（图中黑点所示），三个节点坐标矢量分别为、和，根据这三个点便可以在假人上定义出一个局部坐标系：
其中，、和分别为该坐标系的三个轴矢量，则为该局部坐标系原心坐标。定义流场网格按照该坐标系运动，从而实现流场网格跟随假人运动，而假人主要受重力和降落伞拉力作用，可以根据牛顿第二定律获得其运动轨迹，则相应的流场网格运动轨迹也就可以得到。模型强制运动的实现为现有技术，具体可以参考文献（Belytschko T, Liu WK, Moran B.连续体和结构的非线性有限元（庄茁译）.北京:清华大学出版社,2002:128-440.）。
这样，通过步骤1-步骤3就建立了考虑外界风场影响的降落伞系统有限元模型。
步骤4、利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算。
利用流固耦合的分析方法对降落伞有限元模型进行分析计算为现有技术，详细内容可参见文献（程涵,余莉,李胜全. 基于ALE的降落伞充气过程数值仿真.南京航空航天大学学报,2012,44(3):290-293.）。本发明优选采用任意拉格朗日流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算，其中空气和伞衣相互间作用采用罚函数实现，计算直至折叠伞衣完全打开并进入稳降阶段。
利用本发明方法得到的伞衣外形变化如图7至图9（依次为0.08s、0.7s、1.01s时的伞衣外形变化）所示；流场变化结果如图10至图12（依次为0.08s、0.7s、1.01s时的流程速度矢量图）所示；从中可以发现：0.08s和1.01s时（图5中，这两个时间点存在水平方向的外界风），其流场速度矢量图（图10和图12）与0.7s时（图5中，为无外界风状态）的速度矢量图不相同（图11），图10和和图12在远离伞衣的流场始终存在大小为5m/s的速度矢量，说明本发明方法可以有效模拟出外界风场作用下的外界流场。
此外，为了更加说明本发明方法的可行性，还将此算例结果和完全没有外界风场的计算结果进行对比。图13为假人减速变化曲线，从中可以发现在逆风环境下，伞衣受到的气动阻力更大，开伞更快，因此假人减速也更快。
本发明不仅可以获得整个伞降过程中伞衣、流场变化结果，更重要的是可以评估外界风场对伞降的影响，为设计人员提供参考，大大减少实物试验次数，节约人力和物力，因而具有很重要的实用意义。
Claims (5)
1.一种基于流固耦合的伞降仿真方法，首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；其特征在于，所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤：
步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型；
步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件；
步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同，具体通过以下方法实现：
在载荷网格中选取三个参考节点，假设其空间坐标矢量分别为x1、x2和x3，则根据这三个参考节点定义一个坐标系：
x′＝(x2-x1)/|x2-x1|
z′＝x′×(x3-x1)/|x′×(x3-x1)|
y′＝z′×x′
其中，x′、y′和z′分别为该坐标系的三个轴矢量，x1为该局部坐标系原心坐标；定义流场网格相对于该坐标系静止，从而实现流场网格运动与载荷运动一致。
2.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型，具体如下：采用壳单元对伞衣和载荷划分网格，采用杆单元对伞绳和加强带划分网格，采用体单元划分流场网格；其中，流场网格与伞衣网格、伞绳网格、加强带网格、载荷网格相互穿插。
3.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述外界风场的速度—时间曲线通过预先实际测量外界风场得到。
4.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述流固耦合方法为任意拉格朗日流固耦合方法。
5.如权利要求4所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，在利用任意拉格朗日流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算时，空气和伞衣相互间作用采用罚函数实现，计算直至折叠伞衣完全打开并进入稳降阶段。
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