CN104166771A - 复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法 - Google Patents

Abstract

复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法，包括确定影响气囊系统缓冲效果的着陆工况参数及其变量空间，着陆工况参数包括海拔高度、大气密度、大气压力、着陆地面坡度、风速、风向、垂直着陆速度、着陆时装备的俯仰角和侧倾角；根据着陆工况参数的变量空间，通过HyperStudy软件对有限元模拟进行拉丁超立方试验设计，根据试验设计方案着陆工况作为空投缓冲过程仿真试验边界条件，调用Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程，得到对应于设计变量的目标响应。其目的在于提供一种利用少量有限元仿真计算进行复杂环境下随机着陆工况仿真模拟并获得着陆冲击响应的统计数据、可评价缓冲系统的缓冲效果的复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法。

Description

复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法

技术领域

本发明涉及复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法。

背景技术

空投是装备和物资投送的重要手段之一，在现代战争、抢险救灾中发挥着不可或缺的作用。空投装备着陆时，着陆冲击载荷主要取决于着陆地面坡度、垂直速度、横向速度和装备的侧倾角和俯仰角。受空投场地内的空气密度、地面坡度、近地面风速等条件的影响，上述着陆工况参数也会随之变化。在各个着陆工况参数的综合作用下，空投装备可能出现着陆冲击过大或者侧翻等影响装备使用的现象。

对空投装备-气囊系统进行评价主要有试验研究和计算机仿真2种方法。然而，进行评价气囊系统缓冲性能需要大量的空投试验以获得着陆响应统计数据，采用实际装备空投试验或者实验室模拟试验所需的人力、物力和财力是难以实现的。随着计算机技术和有限元理论的发展，使得采用计算机模拟空投着陆缓冲过程成为现实。Willey等人在美国航空与航天学会AIAA2007-6172上发表的《Impact Attenuating Airbags for Earth and Planetary Landing Systems》采用有限元方法对乘员探测飞行器(CEV)的着陆缓冲过程进行了模拟。还有王红岩等人在《中国机械工程学报》(英文版)2014年第1期发表的《Characteristic Verfication and ParameterOptimization of Airbags Cushion System forAirborne Vehicle》，该文中作者采用有限元方法建立了空投装备-气囊有限元模型，通过模拟空投装备的着陆缓冲过程求解获得冲击响应结果。

然而对于空投装备-气囊系统这样的高度非线性有限元模型，模拟一次300ms的缓冲过程需要几十小时的计算时间，通过大量的仿真试验获得统计数据所需要的时间量巨大，这显然也是不太实际的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用少量有限元仿真计算进行复杂环境下随机着陆工况仿真模拟，并获得着陆冲击响应的统计数据、可评价缓冲系统的缓冲效果，进而可避免空投装备可能出现着陆冲击过大或者侧翻等影响装备使用现象的复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法。

本发明复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法，包括以下步骤：

1)确定影响气囊系统缓冲效果的着陆工况参数及其变量空间，所述着陆工况参数包括海拔高度、大气密度、大气压力、着陆地面的坡度、风速、风向、垂直着陆速度、着陆时装备的俯仰角和侧倾角；

2)根据着陆工况参数的变量空间，通过HyperStudy软件对有限元模拟进行拉丁超立方试验设计，根据试验设计方案的着陆工况作为空投缓冲过程仿真试验的边界条件，调用Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程，计算得到的对应于设计变量的目标响应；其中Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程是采用Chinese Journal Of Mechanical Engineering Vol.No.1，2014中”Characteristic Verfication and Parameter Optimization of Airbags Cushion System for AirborneVehicle”提出来的某型空投装备-气囊系统有限元模型进行计算的；所述目标响应包括着陆冲击过载、侧倾角、气囊内压、装备的反弹速度；

3)根据所述计算得到的对应于设计变量的目标响应，采用径向基函数拟合着陆工况参数与目标函数的响应面模型；

4)利用蒙特卡罗方法抽样产生随机着陆工况试验方案，通过在已建立的响应面模型上进行随机着陆工况试验，获得对应的响应结果；

5)确定空投着陆安全性评价指标，所述空投着陆安全性评价指标包括最大冲击过载20g、最大翻转角度57°、最大反弹速度3m/s和气囊最大内压0.19MPa；结合步骤4的响应结果和所述空投着陆安全性评价指标，统计得出空投装备着陆成功概率，为评价缓冲气囊的缓冲效果和对空投的安全性进行辅助决策；所述空投装备着陆成功概率有5项，包括着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率以及综合成功概率，其中着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率的计算公式为P＝n/N，其中n表示试验响应结果中对应项不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数；综合成功概率的计算公式为P₀＝m/N，其中m表示试验响应结果各项均不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数。

本发明一种复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法，本发明首先确定影响气囊系统缓冲效果的着陆工况参数及其变量空间，通过HyperStudy软件进行拉丁超立方试验设计并调用Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程，采用径向基函数构建变量与目标函数的响应面模型，在此响应面模型的基础上进行随机着陆工况模拟并获得着陆冲击响应的统计数据，结合空投着陆安全性评价指标，预测空投装备着陆成功概率，实现了利用少量有限元仿真计算进行复杂环境下随机着陆工况仿真模拟并获得着陆冲击响应的统计数据，能够根据不同空投环境条件预测空投装备着陆成功概率，可用于评价缓冲系统的缓冲效果和对空投的安全性进行辅助决策，避免空投装备可能出现着陆冲击过大或者侧翻等影响装备使用的现象。

下面结合附图对本发明的复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法流程图；

图2a为本发明的一种实施例中采用径向基函数拟合着陆工况参数与目标函数得到的响应面模型的一部分；

图2b为本发明的一种实施例中采用径向基函数拟合着陆工况参数与目标函数得到的响应面模型的另一部分。

图3为本发明的一种实施例中用蒙特卡罗方法生成的随机着陆工况试验方案图像形式直观显示。

具体实施方式

参见图1，本发明复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法，包括以下步骤：

1)确定影响气囊系统缓冲效果的着陆工况参数及其变量空间，着陆工况参数包括海拔高度、大气密度、大气压力、着陆地面的坡度、风速、风向、垂直着陆速度、着陆时装备的俯仰角和侧倾角；

本实施例给定的着陆工况参数及其取值范围如表1所示，其中海拔高度、大气密度和大气压力取固定值。

表1输入参数及其取值范围

着陆工况参数	取值或取值范围	统计分布形式	分布参数
				海拔高度	0m	--	--
大气密度	1.20kg/m3	--	--
				大气压力	101325Pa	--	--
着陆地面的坡度	[-5°，5°]	正态分布	μ＝0，σ＝1.67
				垂直速度	[5.3m/s，8.9m/s]	正态分布	μ＝7.1，σ＝0.6
横向速度	[2m/s，9m/s]	威布尔分布	ct＝2.9，β＝6.2
				侧倾角	[-7°，7°]	正态分布	μt＝0.，σ＝2.33
俯仰角	[-10°，10°]	正态分布	μ＝0.，σ＝3.33

2)根据着陆工况参数的变量空间，通过HyperStudy软件对有限元模拟进行拉丁超立方试验设计，根据试验设计方案的着陆工况作为空投缓冲过程仿真试验的边界条件，调用Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程，计算得到的对应于设计变量的目标响应；其中Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程是采用Chinese Journal Of Mechanical Engineering Vol.No.1，2014中”Characteristic Verfication and Parameter Optimization of Airbags Cushion System for AirborneVehicle”提出来的某型空投装备-气囊系统有限元模型进行计算的；目标响应包括着陆冲击过载、侧倾角、气囊内压、装备的反弹速度；

3)根据计算得到的对应于设计变量的目标响应，采用径向基函数拟合着陆工况参数与目标函数的响应面模型，如图2a和图2b所示；

4)参见图3，利用蒙特卡罗方法抽样产生随机着陆工况试验方案，通过在已建立的响应面模型上进行随机着陆工况试验，获得对应的响应结果；

5)结合步骤4的响应结果和空投着陆安全性评价指标，统计得出空投装备着陆成功概率，为评价缓冲气囊的缓冲效果和对空投的安全性进行辅助决策。

空投装备着陆时可能出现导致装备损坏或者影响其性能发挥的现象，如过载冲击超标引起的结构损坏或某些精密仪器不能使用，本发明从着陆冲击过载、缓冲过程中最大侧倾角、气囊最大内压和装备的最大反弹速度4个方面提出着陆成功评价指标：

a.根据空投装备的技术指标，装备空投时应能承受最大着陆冲击20g，因此定义空投装备着陆冲击加速度的极限值为20g，g为自由落体加速度。

b.考虑空投装备着陆缓冲过程中由于地面坡度、横向速度以及自身姿态的影响导致侧向翻转角过大，定义侧倾角的极限值为57°。

c.根据气囊织物的抗拉强度换算气囊最大内压为0.19MPa，以保证气囊不被撕裂。

d.定义空投装备最大反弹速度3m/s，以确保缓冲着陆结束时不出现过大的反弹。

其中空投装备着陆成功概率有5项，包括着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率以及综合成功概率，其中着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率的计算公式为P＝n/N，其中n表示试验响应结果中对应项不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数；综合成功概率的计算公式为P₀＝m/N，其中m表示试验响应结果各项均不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数。

Claims (1)

1.复杂环境下空投着陆仿真模拟与评价方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定影响气囊系统缓冲效果的着陆工况参数及其变量空间，所述着陆工况参数包括海拔高度、大气密度、大气压力、着陆地面的坡度、风速、风向、垂直着陆速度、着陆时装备的俯仰角和侧倾角；

2)根据着陆工况参数的变量空间，通过HyperStudy软件对有限元模拟进行拉丁超立方试验设计，根据试验设计方案的着陆工况作为空投缓冲过程仿真试验的边界条件，调用Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程，计算得到的对应于设计变量的目标响应；其中Radioss软件仿真模拟空投缓冲过程是采用Chinese Journal Of Mechanical Engineering Vol.No.1，2014中”Characteristic Verfication and Parameter Optimization of Airbags Cushion System for AirborneVehicle”提出来的某型空投装备-气囊系统有限元模型进行计算的；所述目标响应包括着陆冲击过载、侧倾角、气囊内压、装备的反弹速度；

3)根据所述计算得到的对应于设计变量的目标响应，采用径向基函数拟合着陆工况参数与目标函数的响应面模型；

4)利用蒙特卡罗方法抽样产生随机着陆工况试验方案，通过在已建立的响应面模型上进行随机着陆工况试验，获得对应的响应结果；

5)确定空投着陆安全性评价指标，所述空投着陆安全性评价指标包括最大冲击过载20g、最大翻转角度57°、最大反弹速度3m/s和气囊最大内压0.19MPa；结合步骤4的响应结果和所述空投着陆安全性评价指标，统计得出空投装备着陆成功概率，为评价缓冲气囊的缓冲效果和对空投的安全性进行辅助决策；所述空投装备着陆成功概率有5项，包括着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率以及综合成功概率，其中着陆冲击过载项成功率、侧倾角项成功率、气囊内压项成功率、反弹速度项成功概率的计算公式为P＝n/N，其中n表示试验响应结果中对应项不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数；综合成功概率的计算公式为P₀＝m/N，其中m表示试验响应结果各项均不大于对应空投着陆安全性评价指标的次数，N表示总的试验次数。