CN105528499A - 一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，该方法在降落伞边缘建立外延虚拟结构，同时结合多尺度弹簧模拟及网格局部重构技术，对降落伞进行流固耦合有限元分析；该方法有效地避免了伞衣之间的过度接触，改善了网格质量，使大变形流固耦合计算中的伞衣扭曲坍塌造成的负体积问题得到很好的解决，本发明不仅适用于常规降落伞的流固耦合分析，对于超声速开伞情况下的剧烈大变形问题也能准确地模拟，也为翼伞、气囊、柔软管等柔性织物展开过程性能分析提供了一种新的方法。

Description

一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟方法，属于气动减速技术领域。

背景技术

降落伞是一种优良的气动减速装置，其开伞可靠性是伞-载系统最为关心的问题。降落伞开伞过程是流场结构剧烈作用的过程，采用流固耦合方法研究降落伞的开伞过程是各国学者非常关注的热点问题。

由于降落伞开伞过程是大变形流固耦合问题，当结构边界发生快速大变形时，将造成边界附近网格变形剧烈，网格单元互相重叠、畸变，导致计算无法进行。为解决网格畸变问题，常采用网格更新技术(如拉伸弹簧法或改进弹簧法，参考：刘永丰,张文平,明平剑等.一种动网格插值方法在内燃机CFD中的应用.内燃机工程[J].2013.34(1)：88-92或CHRISTOPHD,CHARBELF.Athree-dimensionaltorsionalspringanalogymethodforunstructureddynamicmeshes等)，但上述方法均用在刚体运动中，网格变形较小。对于降落伞开伞过程这样一种网格大变形问题，工程上常采用ALE方法(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)或网格重构技术进行分析(参考：TakizawaK,WrightS,MoormanC,TezduyarTE.Fluid–structureinteractionmodelingofparachuteclusters.IntJNumerMethodsFluids2011；65(1–3):286–307)，作者采用拉伸弹簧结合网格重构技术实现了简单伞型亚音速工况下降落伞的流固耦合模拟，但上述方法只能用在变形不是特别剧烈的亚声速领域。对于超声速降落伞流固耦合计算，还停留在网格变形较小的降落伞稳降阶段(参考：Karagiozis,K.,Kamakoti,R.,Cirak,F.etc.Acomputationalstudyofsupersonicdisk-gap-bandparachutesusingLarge-Eddysimulationcoupledtoastructuralmembrane.JournalofFluidsandStructures,27(2),175–92(2011)DOI10.1016/j.jfluidstructs.2010.11.007)。为回避网格大变形这个难点问题，有的学者采用浸入边界方法开展降落伞的流固耦合研究(参考：Karagiozis,K.,Kamakoti,R.,Cirak,F.etc.Acomputationalstudyofsupersonicdisk-gap-bandparachutesusingLarge-Eddysimulationcoupledtoastructuralmembrane.JournalofFluidsandStructures,27(2),175–92(2011)DOI10.1016/j.jfluidstructs.2010.11.007)，但浸入边界法是一种非边界配合技术，耦合面的信息需要通过插值才能得到，误差较大。

本方法在伞衣边缘建立了一种外延虚拟结构，有效地避免了网格的扭曲变形，同时也避免了织物材料之间的过度接触，提高了降落伞开伞过程流固耦合计算的稳健性，使超音速情形下开伞过程的流固耦合模拟成为可能。

发明内容

本发明目的是针对现有柔性织物大变形流固耦合中极易出现的网格负体积，导致耦合计算无法成功实现的难题，提供一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟方法，该方法提高了流固耦合计算的稳健性，并可应用于超音速下大变形降落伞开伞过程的模拟。

本发明提供的一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，在伞衣大变形边缘建立外延窄带型虚拟结构以减小伞衣附近的流场网格畸变量；建立结构和流场的网格模型，对真实降落伞执行流固耦合并行计算，对外延虚拟结构执行结构计算；采用多尺度弹簧模拟方法结合局部重构法更新流场区域网格。

所述外延虚拟结构一面紧邻真实伞衣边缘，对虚拟结构取微元，每个微元为一个网格结构，所述窄带型虚拟结构的宽度为0.5～1倍结构网格尺寸，泊松比与伞衣一致，弹性模量由以下公式给定：

$E=\frac{F_{kmax}(1.75-v)}{0.3\mathrm{\π}\mathrm{\δ}r}$

其中r为最大开伞动载时伞的投影半径，δ为伞衣厚度，v为伞衣材料泊松比，F_kmax表示最大开伞动载。

所述建立结构和流场的网格模型具体指，对真实降落伞，包括伞衣、伞绳、加强带，以及虚拟结构均进行有限元网格划分，对伞衣、前体、外流场进行有限体积网格划分，对计算过程中出现的流场网格扭曲坍塌造成的负体积问题采用多尺度弹簧模拟结合局部重构技术进行网格更新。

所述对真实伞衣执行流固耦合并行计时，在每一时间步上对耦合面即伞衣的位移和速度及气动力参数执行信息的双向传递。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明的有益效果是：可以大大提高网格质量，解决大变形耦合计算的负体积问题，提高计算的稳健性，计算结果符合工程实际。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是虚拟结构微元受力示意图；

图2是结构网格模型示意图；

图3是流场网格模型的几何模型；

图4是流场网格模型的对称面上的体网格图；

图5是伞衣外形变化图；

图6是速度云图。

具体实施方式

本发明提供一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用如下技术方案：

第一步：确立伞衣虚拟结构参数

根据降落伞工作特点确定伞衣虚拟结构的参数。一般在伞衣边缘无结构束缚处变形最大，可在伞衣边缘外围设置一圈窄带型虚拟结构，宽度取为(0.5～1)倍结构网格尺寸。虚拟结构的弹性模量根据织物最大变形量推导得到，泊松比v则与真实伞衣一致。

下面推导弹性模量需满足的条件。

对厚圆球壁面，其厚度方向主应力为：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{a^3({r_1}^3-b^3)}{{r_1}^3(b^3-a^3)}{p}_1---\left(1\right)$

其中，a为圆球内半径，b为圆球外半径，r₁为所求点处的半径，p₁为圆球内压(参考：徐秉业，刘信声.应用弹塑性力学[M].北京：清华大学出版社，1995：230-232)。

将降落伞参数代入式(1)，则开伞过程中单元截面主应力最大值为

$\mathrm{\σ}=\frac{rp}{2\mathrm{\δ}}---\left(2\right)$

$p=\frac{F_{kmax}}{{\mathrm{\πr}}^2}---\left(3\right)$

其中r为最大开伞动载时伞的投影半径，δ为伞衣厚度，p为最大开伞动载作用在伞上的平均压力；F_kmax表示最大开伞动载。

由于伞衣很薄，伞衣单元均可简化为二维结构。对虚拟结构取微元，ds为微元的长度，只在虚拟结构宽度方向画一个网格，所以微元宽度取为虚拟结构宽度w，其受力情况见图1，则此微元应变量可采用叠加法近似。

取网格任意垂直方向x、y，微元上部x方向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=-v\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(4\right)$

微元两侧应力可分解为沿微元中心的拉力和弯矩，拉力产生的x方向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{2\mathrm{\σ}}{2E}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(5\right)$

弯矩M产生的x方向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_3=\frac{M}{E\·\frac{{\mathrm{\δb}}^2}{6}}=\frac{\mathrm{\σ}\·\frac{{\mathrm{\δb}}^2}{8}}{E\·\frac{{\mathrm{\δb}}^2}{6}}=\frac{3\mathrm{\σ}}{4E}---\left(6\right)$

x方向总应变为：

ε＝ε₁+ε₂+ε₃(7)

(4)～(6)式中，v为伞衣材料泊松比，E为虚拟结构弹性模量，b为虚拟结构宽度。若应变较大，虚拟结构产生的效果会大大减弱，依据工程经验，需满足ε≤15％，则

$E\≥\frac{F_{kmax}(1.75-v)}{0.3\mathrm{\π}\mathrm{\δ}r}---\left(8\right)$

当E太大时可能对伞衣受力引起较大的误差，故取：

$E=\frac{F_{kmax}(1.75-v)}{0.3\mathrm{\π}\mathrm{\δ}r}---\left(9\right)$

如图2所示，第二步：建立结构和流场的网格模型，在伞衣边缘外围设置一圈窄带型虚拟结构A、B，宽度取为0.5～1倍结构网格尺寸，真实降落伞和虚拟结构的有限元网格模型：伞衣为三角形膜单元，加强带和伞绳采用索单元。

确定流场计算域，建立包含有伞衣、前体、外流场的有限体积流场网格。

第三步：对结构、流场执行并行双向流固耦合计算

结构计算模块根据流场耦合面(真实伞衣)上的气动力计算结果得到伞衣每个单元的位移和速度；流场计算模块则根据耦合面的位移和速度获得伞衣上的气动力数据，在每一时间步上对上述信息执行双向传递。虚拟结构只受结构力作用，不参与耦合计算。

第四步：采用多尺度弹簧模拟方法结合局部重构法更新流场区域网格

伞衣面网格运动，采用多尺度弹簧模拟方法更新体网格，检测网格质量，满足质量要求则输出网格；否则，采用局部网格重构技术更新质量差的网格，直到通过质量检测。

多尺度弹簧模拟方法受力方程为：

$F_{total}^{ij}=K_{lineal}^{ij}{q}^{ij}+\underset{{\mathrm{\Γ}}_{ijk}\⊃{\mathrm{\ϵ}}_{ij}}{\Σ}\[B_{ij}^{ijk}{K}_{torsion}^{ijk}\]q^{ijk}---\left(10\right)$

式中，表示拉伸弹簧的刚度矩阵，q^ij表示拉伸弹簧的位移，表示扭转弹簧的刚度矩阵，q^ijk表示扭转弹簧的位移，是从三角形Γ_ijk提取的边ε_ij相关的布尔算子

重复第三步至第四步，直至完成所需时间段的流固耦合计算。

下面以24幅盘缝带伞2.0Ma下超声速开伞过程进行验证，计算参数如表1所示。

表1计算参数

根据《降落伞理论与应用》，最大开伞动载的经验公式为

$F_{kmax}=\frac{{\mathrm{kv}}_L^2+\sqrt{A_0}}{k/\mathrm{\ρ}{\left(CA\right)}_s+\sqrt{A_0}/G_{xt}}---\left(11\right)$

其中k取决于材料参数，由实验确定，此处取为0.006，v_L为拉直速度，A₀为伞衣名义面积,G_xt为物伞系统重力，(CA)_s为充满瞬间的阻力面积，F_kmax为4853N。其中δ为0.00013m，r为0.3m，代入公式(9)得虚拟结构弹性模量E为2.1e8pa。

建立真实降落伞和虚拟结构的有限元网格模型(结构网格尺寸为0.01m，虚拟带宽度取0.005m)，如图2所示，其中A、B表示虚拟外延结构。

建立流场网格模型，如图3、图4所示(伞周围为非结构网格，远场区为结构网格，两种网格之间的节点保持重合)。

对结构、流场执行并行双向流固耦合计算(如图5，从左至右分别为0.003s，0.007s，0.014s时刻)，结构计算得到的伞衣位移和速度，流场计算获得伞衣气动力数据，在每一时间步上对上述信息执行双向传递，虚拟结构不参与耦合。计算过程中，采用多尺度弹簧模拟方法结合局部重构技术更新流场区域网格。

通过上述计算，得到伞衣外形(图5)和流场变化(图6，从上到至下分别为0.003s，0.007s，0.014s时刻)及阻力系数(表2)，数值模拟结果和风洞试验的最大误差在15％以内，证明了本方法的可靠性和准确性，可以用于超声速大变形情况下开伞过程性能分析。

表2阻力系数

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，其特征在于，在伞衣大变形边缘建立外延窄带型虚拟结构以减小伞衣附近的流场网格畸变量；建立结构和流场的网格模型，对真实降落伞执行流固耦合并行计算，对外延虚拟结构执行结构计算；采用多尺度弹簧模拟方法结合局部重构法更新流场区域网格。

2.如权利要求1所述的一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，其特征在于，所述外延虚拟结构一面紧邻真实伞衣边缘，对虚拟结构取微元，每个微元为一个网格结构，所述窄带型虚拟结构的宽度为0.5～1倍结构网格尺寸，泊松比与伞衣一致，弹性模量由以下公式给定：

$E=\frac{F_{kmax}(1.75-v)}{0.3\mathrm{\π}\mathrm{\δ}r}$

其中r为最大开伞动载时伞的投影半径，δ为伞衣厚度，v为伞衣材料泊松比，F_kmax表示最大开伞动载。

3.如权利要求1所述的一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，其特征在于，所述建立结构和流场的网格模型具体指，对真实降落伞，包括伞衣、伞绳、加强带，以及虚拟结构均进行有限元网格划分，对伞衣、前体、外流场进行有限体积网格划分，对计算过程中出现的流场网格扭曲坍塌造成的负体积问题采用多尺度弹簧模拟结合局部重构技术进行网格更新。

4.如权利要求1所述的一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟分析方法，其特征在于，所述对真实伞衣执行流固耦合并行计时，在每一时间步上对耦合面即伞衣的位移和速度及气动力参数执行信息的双向传递。