CN103559338B - 一种降落伞工作特性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降落伞工作特性仿真方法，用于带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性分析。本发明在现有流固耦合的伞降过程仿真方法基础上，在撕裂带杆单元中选取两个约束点，并定义约束点实效条件，用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，来解决撕裂带工作过程仿真模拟的难题，从而实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性进行准确地仿真分析。本发明仿真方法可准确而有效地模拟出带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作过程，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。

Description

一种降落伞工作特性仿真方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真方法，尤其涉及一种降落伞工作特性仿真方法，用于带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性分析。

背景技术

通常降落伞根据设计指标，采用固定透气结构设计，如图1所示的伞顶孔，一般极少采用变透气结构设计，因而使用范围及适用工况有限。上述结构的降落伞在高速开伞情况下，伞衣受到的气动阻力过大，进而导致载荷所受到的瞬间过载较大，容易对载荷的安全造成影响；而增加上述降落伞的结构透气量，如增加伞顶孔直径，又会导致稳降速度过大，同样容易对载荷安全造成影响。

为解决此问题，部分降落伞设置了撕裂带，如图2所示，降落伞的每幅伞衣均被自上而下地分为一组相对独立的子伞衣1，各子伞衣1之间通过加强带2连接为一个整体。上下相邻的子伞衣1之间的部分加强带4在正常情况下折叠，折叠部分的两端用缝线5缝合或粘合，从而形成如图3所示的撕裂带，上下子伞衣之间除撕裂带以外的部分形成细小的透气结构。在高速开伞情况下，气动阻力会使撕裂带的缝线或粘合部断裂，直接导致折叠的部分加强带被拉直，原先的透气结构的面积将大大增加，使伞衣内的气流加速从透气结构中流出，从而减少气动过载，保护人员或回收物安全；而在低速开伞情况下，气动力不足以让缝线或粘合部断裂，撕裂带始终保持折叠状态，因而降落伞依然保持较小的透气结构面积，保证一定的气动阻力。

然而，在对降落伞工作过程的研究中，由于撕裂带在实际空投中的工作特性很难分析，目前国内外通常采用大量的实物空投试验来进行验证，消耗了大量的人力和财力。随着计算机硬件的飞速发展，虚拟分析技术逐渐成为一种非常有效的辅助方法，其中流固耦合方法逐渐成为降落伞开伞研究的重要研究手段（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.），但该方法无法直接模拟撕裂带工作过程，因此难以实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性仿真分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种降落伞工作特性仿真方法，用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，从而实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性进行准确地仿真分析。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种降落伞工作特性仿真方法，所述降落伞包括多幅伞衣，每幅伞衣包括一组通过

加强带自上而下依次连接的子伞衣，其中至少两片上下相邻的子伞衣之间的部分加强带在正常情况下折叠，折叠部分的两端缝合或粘合，形成撕裂带，当伞衣受到的力超过一定幅度时，所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开，折叠的部分加强带拉直；首先建立包括伞衣、加强带、撕裂带的三维网格模型，然后利用流固耦合方法对所建立的三维网格模型进行分析计算；所述三维网格模型中，加强带和撕裂带均使用杆单元划分网格；选取每个撕裂带杆单元与加强带杆单元的两个连接点作为该撕裂带杆单元的一对约束点，并以下式作为这一对约束点的约束条件，当所述约束条件得到满足时，这一对约束点之间的距离保持不变，当所述约束条件失效时，这一对约束点之间的距离发生变化：

，

式中，、分别为上述一对约束点中任一约束点所受外力之和在这一对约束点间连线方向上以及在垂直于这一对约束点间连线方向上的分量；、分别为在这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，以及在垂直于这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，预先通过实验测量获得。

本发明通过用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，解决了撕裂带工作过程仿真模拟的难题。本发明仿真方法可准确而有效地模拟出带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作过程，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为现有不带撕裂带的降落伞的结构示意图；

图2为带撕裂带的降落伞的结构示意图；

图3为撕裂带的结构示意图；

图4为撕裂带网格模型，其中a、b为该撕裂带网格的一对约束点；

图5为折叠状态下包括伞衣、加强带、伞绳及撕裂带的有限元网格模型；

图6为流场网格模型；

图7为包括伞衣、加强带、伞绳、撕裂带以及流场的完整有限元网格模型；

图8为伞顶孔打开前伞衣模型（线框模式）；

图9为伞顶孔打开后伞衣模型（线框模式）；

图10为伞衣出现“乌贼”外形时的伞衣模型（线框模式）；

图11为尚未充满时伞衣模型（线框模式）；

图12为高速开伞情况下，完全充满时伞衣外形（线框模式）；

图13为低速开伞情况下，完全充满时伞衣外形（线框模式）；

图14为图13的局部放大图；

图中标号含义如下：

1为伞衣，2为加强带，3为撕裂带，4为撕裂带中的折叠加强带，5为缝线。

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：

本发明为了解决现有伞降过程计算机仿真技术所存在的无法有效模拟撕裂带的工作特性的问题，在现有流固耦合的伞降过程仿真方法基础上，采用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，来解决撕裂带工作过程仿真模拟的难题，从而实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性进行准确地仿真分析。

本发明的降落伞工作特性仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包括伞衣、加强带、撕裂带的三维网格模型。

通常在进行降落伞工作过程仿真时，需要建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷以及流场的三维网格模型，本实施例以建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷、流场以及撕裂带的完整三维网格模型为例来对本发明技术方案进行说明。

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）。本实施例中，使用壳单元对伞衣、载荷划分网格，使用杆单元对伞绳、加强带、撕裂带划分网格，使用体单元对流场划分网格，其中，流场网格与其余各部分网格相互穿插。

为了解决撕裂带工作过程仿真问题，本发明使用杆单元对撕裂带划分网格，并在撕裂带杆单元中选取两个约束点，并定义约束点失效条件。如图4所示，选取撕裂带杆单元与加强带杆单元的两个连接点（即图中所示的a、b两点）作为该撕裂带杆单元的一对约束点，对其相互间的转动和平动进行约束，两个约束点之间没有任何单元进行连接，采用虚拟的约束模拟实际存在的撕裂带缝线或粘接部位。本发明为两个约束点定义的约束条件如式（1）所示，当所述约束条件得到满足时，这一对约束点之间的距离保持不变，当所述约束条件失效时，这一对约束点之间的距离发生变化：

（1）

式中，、分别为上述一对约束点中任一约束点所受外力之和在这一对约束点间连线方向上以及在垂直于这一对约束点间连线方向上的分量；、分别为在这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，以及在垂直于这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，预先通过实验测量获得。

图5为折叠状态下包括伞衣、加强带、伞绳及撕裂带的有限元网格模型，图6为流场网格模型，图7为包括伞衣、加强带、伞绳、撕裂带以及流场的完整有限元网格模型。

步骤2、利用流固耦合方法对所建立的三维网格模型进行分析计算。

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。

为了验证本发明方法的有效性，利用上述方法进行了降落伞开伞过程的仿真模拟，该降落伞的第二环与第三环之间用一系列的撕裂带连接，撕裂带拉直后长度为100mm，实验测得的、的值均为420N。图8-图11显示了仿真得到的高速开伞条件下（设定空气来流速度为150m/s图，外界环境为一个大气压）开伞过程各阶段的伞衣模型。从仿真结果可以看出：伞顶孔打开前（如图8所示），撕裂带没有拉直；但是伞顶孔打开后，内部压力逐渐增加，节点受力增加，开始出现约束失效，部分撕裂带开始拉直（如图9所示）；随着伞衣的充满，越来越多的撕裂带出现约束失效，并拉直（如图10所示）；伞衣尚未完全充满时，所有的撕裂带都已经拉直（如图11所示）；图12为伞衣完全充满时的外形，从中可以很清楚的发现所有撕裂带都已经拉直，第二环与第三环之间出现较宽的缝隙状透气结构，伞衣内部气流可以从该透气结构向伞衣外部流出。

将上述来流速度调整为40m/s，模拟低速开伞情况下撕裂带工作情况，图13显示了低速开伞情况下，完全充满时的伞衣外形。从图13及其局部放大图（图14）中可以发现，由于气流速度较低，气流对伞衣压力较小，约束点所受力始终无法满足失效条件，直至伞衣完全充满，撕裂带始终保持折叠状态。

上述验证实验证明了本发明方法完全可以准确模拟伞用撕裂带工作过程，并为对撕裂带设计效果进行评估，给降落伞设计人员提供设计参考。

Claims (4)

1.一种降落伞工作特性仿真方法，所述降落伞包括多幅伞衣，每幅伞衣包括一组通过加强带自上而下依次连接的子伞衣，其中至少两片上下相邻子伞衣之间的部分加强带在正常情况下折叠，折叠部分的两端缝合或粘合，形成撕裂带，当伞衣受到的力超过一定幅度时，所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开，折叠的部分加强带拉直；其特征在于，首先建立包括伞衣、加强带、撕裂带的三维网格模型，然后利用流固耦合方法对所建立的三维网格模型进行分析计算；所述三维网格模型中，加强带和撕裂带均使用杆单元划分网格；选取每个撕裂带杆单元与加强带杆单元的两个连接点作为该撕裂带杆单元的一对约束点，并以下式作为这一对约束点的约束条件，当所述约束条件得到满足时，这一对约束点之间的距离保持不变，当所述约束条件失效时，这一对约束点之间的距离发生变化：

${\left(\frac{\left|f_n\right|}{S_n}\right)}^2+{\left(\frac{\left|f_s\right|}{S_s}\right)}^2<1,$

式中，f_n、f_s分别为上述一对约束点中任一约束点所受外力之和在这一对约束点间连线方向上以及在垂直于这一对约束点间连线方向上的分量；S_n、S_s分别为在这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，以及在垂直于这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，预先通过实验测量获得。

2.如权利要求1所述降落伞工作特性仿真方法，其特征在于，所述三维网格模型中还包括伞绳、载荷以及流场。

3.如权利要求2所述降落伞工作特性仿真方法，其特征在于，所述三维网格模型中，使用壳单元对伞衣、载荷划分网格，使用杆单元对伞绳划分网格，使用体单元对流场划分网格，流场网格与其余各部分网格相互穿插。

4.如权利要求1至3中任一项所述降落伞工作特性仿真方法，其特征在于，利用任意拉格朗日流固耦合方法对所建立的三维网格模型进行分析计算。