CN110826153B - 应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟、实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机飞行动力学与飞行载荷技术领域，公开了一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，包括：S1，建立直升机与气囊的有限元模型，有限元模型由多个网格组成；S2，建立该网格对应的等效水域函数，所述等效水域函数与该网格阻尼系数相关的函数；S3，采用该网格对应的等效水域函数模拟水粒子对该网格的作用力；将水域对直升机的作用通过直接施加压力的方式加载在机身的有限元单元上，同时添加阻尼使位移计算迅速收敛。通过此种方法建立等效水域，能够减少带柔性气囊直升机在水中横向稳定性计算的时间，大幅度提高计算效率。

Description

应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟、实现方法

技术领域

本发明属于直升机飞行动力学与飞行载荷技术领域，尤其涉及一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法。

背景技术

直升机在水中的横向稳定性问题主要是研究直升机发生倾斜时需要多大的力矩才能恢复到之前的平衡位置，以及当横倾角达到多大后直升机会发生倾覆，使其再也无法恢复到之前的平衡状态。

目前针对直升机水中横向稳定性的计算主要通过商业软件Maxsurf、dyna等建立有限元模型再进行仿真计算。传统的maxsurf(排水体积法)无法考虑柔性部分，且由于直升机外形复杂，流固耦合方法则会带来大量的计算量，一个横倾角下的计算往往需要几百小时才能求得，故需要寻找一种计算效率高且计算精度够的方法进行研究。基于直升机的水中浮态及稳性理论可知，由于直升机复杂的外形特征，导致直升机自由浮态和稳性无法通过准确的函数解析式表达。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，将水域对直升机的作用通过直接施加压力的方式加载在机身的有限元单元上，同时添加阻尼使位移计算迅速收敛。通过此种方法建立等效水域，能够减少带柔性气囊直升机在水中横向稳定性计算的时间，大幅度提高计算效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，所述方法包括：

S1，建立直升机与气囊的有限元模型，有限元模型由多个网格组成；

S2，建立该网格对应的等效水域函数，所述等效水域函数与该网格阻尼系数相关的函数；

S3，采用该网格对应的等效水域函数模拟水粒子对该网格的作用力。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)S1中，对多个网格顺序编号，对于第i个网格，其上四个节点顺时针依次编号为A，B，C，D，所述第i个网格单元法向量为n_i，且垂直于网格表面并满足ABCD的右手螺旋定则，i＝1,...,N，N表示有限元模型中网格的总个数。

(2)S2中，建立该网格对应的等效水域函数，具体为：

P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i

其中，P_i1为第i个网格在水下h_i处受到的静压力，P_i2为对额外增加的第i个网格在水下h_i处受到的阻尼压力，ρ为水的密度，g为重力加速度，c为第i个网格受到的阻尼压力的阻尼系数，v_i为第i个网格对应的速度矢量，n_i为第i个网格的单元法向量，i＝1,...,N，N表示有限元模型中网格的总个数。

(3)假设直升机机体上所有网格受到的阻尼压力的阻尼系数相同且为c₁，0＜c₁＜c_opt1，或者，c_opt1≤c₁≤c₁₁；

c_opt1为直升机机体的临界阻尼系数，

其中，m₁表示直升机的质量，k₁表示直升机的刚度系数，c₁₁为预设的阻尼系数最大值。

(4)当c₁＝c_opt1时，直升机从倾斜位置恢复到平衡位置所用的时间最短。

(5)假设直升机气囊上所有网格受到的阻尼压力的阻尼系数相同且为c₂，0＜c₂＜c_opt2，或者，c_opt2≤c₂≤c₂₂；

c_opt2为气囊的临界阻尼系数，

其中，m₂表示气囊的质量，k₂表示气囊的柔性系数。

(6)当c₂＝c_opt2时，气囊从倾斜位置恢复到平衡位置所用的时间最短。

技术方案二：

一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力的软件实现方法，该实现方法采用技术方案一所述的模拟方法实现，所述方法包括：

检查直升机与气囊的有限元模型中所有网格法向量，使其全部指向网格外侧后导出生成dyna软件所需的k文件；

搜索k文件中的所有网格及其节点，生成含有网格及对应满足右手定则使网格法向量指向外侧顺序的节点矩阵，矩阵第一列为网格编号，第二至第五列为对应网格的节点编号；

通过式P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i定义函数，每个函数编号与网格编号对应；

通过写入命令在k文件中写入函数及对应的网格编号。

本发明技术方案将水域对直升机的作用通过直接施加压力的方式加载在机身的有限元单元上，同时添加阻尼使位移计算迅速收敛。通过此种方法建立等效水域，能够减少带柔性气囊直升机在水中横向稳定性计算的时间，大幅度提高计算效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的任一网格及其节点编号示意图；

图2为本发明实施例提供的刚性直升机采用本发明技术方案在dyna软件的计算结果与现有方法在maxsurf软件上的计算结果对比示意图；

图3为本发明实施例提供的带柔性气囊直升机采用本发明技术方案在dyna软件的计算结果与试验结果的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

水为等密度流体，在静水下，其内部水粒子压强与其距水面高度有关：

P＝ρgh

当物体在水域中静止时，其表面所受压力与此处水粒子压强相等。将物体表面切割成无数多边形，定义此多边形上的压力与其中心点的位置有关，通过积分微分原理，可知分割的四边形越多，此物体表面的压力分布越接近于其在水中的压力分布。联系到有限元分析可有：

1.建立直升机与气囊模型，并划分细小网格；

2.对每一个网格上添加与其位置相关的均布压力；

3.将整体模型摆放至任意位置开始计算。

直升机上任一网格定义编号为i，此网格上节点编号顺时针依次为A，B，C，D，网格法向编号为n_i且垂直于网格表面并满足ABCD的右手螺旋定则。此时进行受力分析，网格表面所受压力为：

P_i1＝ρgh_i

ρ为水的密度，h_i为i网格的A、B、C、D四点距水面的平均距离，压力垂直于网格表面向里。当h_i<0时，表示该网格还在水下；当h_i>0时，表示该网格在水上，此时P_il＝0；假设网格在压力作用下的位移为x_i,其质量为m_i，则有：

S_i为网格面积，P_i1为压强(即网格表面所受压力)，与x_i有关，即可得知，此时网格单元做无阻尼自由振荡，永远不可能静止下来；因此需要添加相应阻尼使其静止。因此需对网格上每个静压添加一与速度相关的额外压力，此阻尼压力P_i2大小与速度呈线性关系，且方向与速度方向相反：

P_i2＝cv_i·n_i

其中，v_i为网格的速度矢量，c为额外阻尼系数。c的取值大小决定了系统达到最终平衡状态所需时间，合适的取值有利于大幅度的缩小整个数学模型所需计算量。

则此网格上的压力总和为：

P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i

其中，ρgh_i为每个网格上的静压项，仅与位移有关；cv_i·n_i为每个网格上的额外压力项，仅与速度有关。

根据单自由度系统对初始条件相应可知，当阻尼比为临界阻尼系数

时，机身单元刚好能不作周期性运动而又能以最快的速度回到平衡位置。m表示直升机的质量，或者气囊的质量，k表示直升机的刚度系数，或者气囊的柔性系数。

本发明实施例还提供一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力的软件实现方法，所述方法包括：

检查直升机与气囊的有限元模型中所有网格法向量，使其全部指向网格外侧后导出生成dyna软件所需的k文件；

搜索k文件中的所有网格及其节点，生成含有网格及对应满足右手定则使网格法向量指向外侧顺序的节点矩阵，矩阵第一列为网格编号，第二至第五列为对应网格的节点编号；

通过式P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i定义函数，每个函数编号与网格编号对应；

通过写入命令在k文件中写入函数及对应的网格编号。

根据上述方法的基本原理，只需要在程序中增加简单的编程语句即可实现，工作量很小。在实际的仿真计算中，采用该等效水域方法的dyna计算通过3000多个有限元网格进行描述，远比仅采用20个面描述直升机外形的maxsurf的精度更高。并且，dyna软件中分别采用等效水域和流固耦合方法在同一电脑对同一模型同一状态计算10s,所需时间为23小时(已达到平衡)和200多小时(仍未达到平衡)，故此发明能够在保持精度的同时大大提高计算效率(90％以上)。

由图2可知，针对刚性直升机，采用等效水域法的dyna计算结果与maxsurf计算结果相差不大。通过刚体下与排水体积法的对比，验证了等效水域计算方法的可靠性和高精度，同时也可用于调节计算效率(寻找合适的等效阻尼)。

由图3可知，针对带柔性气囊的直升机，采用等效水域法的dyna计算结果与试验结果相近，证明了该等效水域方法适用于带柔性气囊的直升机水中横向稳定性计算。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，建立直升机与气囊的有限元模型，有限元模型由多个网格组成；

S2，建立该网格对应的等效水域函数，所述等效水域函数与该网格阻尼系数相关的函数；

S2中，建立该网格对应的等效水域函数，具体为：

P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i

其中，P_i1为第i个网格在水下h_i处受到的静压力，P_i2为对额外增加的第i个网格在水下h_i处受到的阻尼压力，ρ为水的密度，g为重力加速度，c为第i个网格受到的阻尼压力的阻尼系数，v_i为第i个网格对应的速度矢量，n_i为第i个网格的单元法向量，i＝1,...,N，N表示有限元模型中网格的总个数；

S3，采用该网格对应的等效水域函数模拟水粒子对该网格的作用力。

2.根据权利要求1所述的一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，S1中，对多个网格顺序编号，对于第i个网格，其上四个节点顺时针依次编号为A，B，C，D，所述第i个网格单元法向量为n_i，且垂直于网格表面并满足ABCD的右手螺旋定则，i＝1,...,N，N表示有限元模型中网格的总个数。

3.根据权利要求1所述的一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，假设直升机机体上所有网格受到的阻尼压力的阻尼系数相同且为c₁，0<c₁<c_opt1，或者，c_opt1≤c₁≤c₁₁；

c_opt1为直升机机体的临界阻尼系数，

其中，m₁表示直升机的质量，k₁表示直升机的刚度系数，c₁₁为预设的阻尼系数最大值。

4.根据权利要求3所述的一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，

当c₁＝c_opt1时，直升机从倾斜位置恢复到平衡位置所用的时间最短。

5.根据权利要求1所述的一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，假设直升机气囊上所有网格受到的阻尼压力的阻尼系数相同且为c₂，0<c₂<c_opt2，或者，c_opt2≤c₂≤c₂₂；

c_opt2为气囊的临界阻尼系数，

其中，m₂表示气囊的质量，k₂表示气囊的柔性系数。

6.根据权利要求5所述的一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力模拟方法，其特征在于，

当c₂＝c_opt2时，气囊从倾斜位置恢复到平衡位置所用的时间最短。

7.一种应用于直升机水中稳定性计算的水作用力的软件实现方法，该实现方法采用权利要求1-6中任一项模拟方法实现，其特征在于，所述方法包括：

检查直升机与气囊的有限元模型中所有网格法向量，使其全部指向网格外侧后导出生成dyna软件所需的k文件；

搜索k文件中的所有网格及其节点，生成含有网格及对应满足右手定则使网格法向量指向外侧顺序的节点矩阵，矩阵第一列为网格编号，第二至第五列为对应网格的节点编号；

通过式P_i＝P_i1+P_i2＝ρgh_i+cv_i·n_i定义函数，每个函数编号与网格编号对应；

通过写入命令在k文件中写入函数及对应的网格编号。

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