CN113033031A - 一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的装置和方法，包括建模模块、参数计算模块和仿真求解模块；建模模块根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器、缓冲气囊和地面的几何模型并划分网格，参数计算模块计算仿真模型需要输入的参数，将参数传送给仿真求解模块；仿真求解模块按照划分网格后的几何模型和参数进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。本发明能够准确的获取模型中地面性能的参数，准确的计算飞行器着陆过程中的仿真结果，为分析飞行器着陆缓冲过程提供了依据，可以作为研究带缓冲气囊飞行器着陆过程的有效方法。

Description

一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置和方法

技术领域

本发明属于飞行器着陆过程仿真技术领域，具体涉及一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置和方法。

背景技术

气囊着陆缓冲系统被广泛地应用于航天器回收、无人机回收以及空降空投中。为了保证飞行器安全无损着陆，有必要对飞行器着陆缓冲过程进行分析，在工程应用上具有一定的价值和指导意义。

传统理论计算方法对着陆系统模型过于简化，造成计算误差较大，不能真实分析飞行器着陆缓冲过程；飞行器的投放试验成本高、周期长，采用试验作为研究手段较难实现；随着商业软件仿真手段的出现，国内外对此领域进行了相关研究，因在快速且准确的获取仿真模型参数方面研究尚浅，目前并没有快速有效全面的仿真计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的装置和方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据第一方面，提供一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置，包括建模模块、参数计算模块和仿真求解模块；所述的建模模块根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器和缓冲气囊的几何模型并划分网格，创建地面几何模型并划分网格，并将获得的数据传送给参数计算模块和仿真求解模块，所述的参数计算模块计算仿真模型需要输入的参数，包括但不限于飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，将参数传送给仿真求解模块；所述的仿真求解模块按照划分网格后的几何模型和参数进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

进一步的，所述的地面性能参数中土壤的体积模量计算公式为：

式中：E_T为体积模量，E_S为剪切模量，μ为泊松比，η为经验系数，取0.1～0.5。

进一步的，所述的地面性能参数中土壤的屈服函数系数A₀、A₁、A₂计算公式为：

式中：c为土壤粘聚力，单位为MPa，

为土壤内摩擦角，单位为度。

根据第二方面，提供上述一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真方法，包括以下步骤：

根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器、缓冲气囊和地面的几何模型；

根据获得的几何模型划分网格；

根据飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，计算仿真模型需要输入的参数；

根据输入的参数和划分了网格的几何模型进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明提出的计算方法能够准确的获取模型中地面性能的参数，准确的计算飞行器着陆过程中的仿真结果，为分析飞行器着陆缓冲过程提供了依据；

(2)本发明的计算方法计算周期短，成本低，并且能正确的输出飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，可以作为研究带缓冲气囊飞行器着陆过程的有效方法。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真方法步骤示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真过程中飞行器模型参数含义；

图4示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真过程中缓冲气囊模型参数含义；

图5示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真过程中地面模型参数含义；

图6示出了根据本发明实施例提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明实施例提供一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置，包括建模模块、参数计算模块和仿真求解模块；建模模块根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器和缓冲气囊的几何模型并划分网格，创建地面几何模型并划分网格，并将获得的数据传送给参数计算模块和仿真求解模块；参数计算模块计算仿真模型需要输入的参数，包括但不限于飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，将参数传送给仿真求解模块；仿真求解模块按照划分网格后的几何模型和参数进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

进一步的在一个实施例中，地面性能参数中土壤的体积模量计算公式为：

式中：E_T为体积模量，E_S为剪切模量，μ为泊松比，η为经验系数，取0.1～0.5。

进一步的在一个实施例中，地面性能参数中土壤的屈服函数系数A₀、A₁、A₂计算公式为：

式中：c为土壤粘聚力，单位为MPa，

为土壤内摩擦角，单位为度。

如图2所示，提供上述一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真方法，包括以下步骤：

根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器、缓冲气囊和地面的几何模型；

根据获得的几何模型划分网格；

根据飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，计算仿真模型需要输入的参数；

根据输入的参数和划分了网格的几何模型进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

为了更好的阐述本发明，在一个具体的实施例中，建模模块采用CATIA软件和LS-PREPOST软件，利用CATIA软件建模，LS-PREPOST软件进行网格划分，参数计算模块采用LS-PREPOST软件，仿真求解模块采用LS-DYNA软件，一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真方法如下：

步骤一，通过CATIA软件根据飞行器、缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器、气囊的三维几何模型，在一个实施例中，地面几何建模时用平面代替，长宽尺寸超出飞行器和缓冲气囊尺寸即可，几何建模完成后输出为igs格式的几何文件；

步骤二，通过将第一步生成的igs格式几何文件，导入到LS-PREPOST软件，采用自动划分网格功能完成有限元建模；

步骤三，通过在LS-PREPOST软件keywordmanager界面输入模型参数。飞行器模型参数定义如图3所示，采用PART_INERTIA关键字输入定义飞行器模型参数，包括飞行器的重心、重量、转动惯量、速度等参数，上述参数根据飞行器实际工况确定。缓冲气囊模型参数定义如图4所示，采用AIRBAG_WANG_NEFSKE关键字输入定义缓冲气囊模型参数，包括缓冲气囊的气体定容比热容、气体定压比热容、气体温度、气体密度、排气口面积、环境压力、初始相对超压、爆破相压等参数，上述参数中根据实际大气环境和缓冲气囊技术状态确定。地面模型参数定义如图5所示，采用MAT_SOIL_AND_FORM关键字输入定义地面模型参数，包括地面的密度、剪切模量、体积模量、塑性屈服函数系数等参数。模型前处理完成后通过LS-PREPOST软件输出k文件。

模拟飞行器缓冲着陆过程，要考虑土壤的弹性性能、体积压缩性能以及其特殊的屈服特性。本发明提出计算公式如下：

式中：E_T为体积模量，E_S为剪切模量，μ为泊松比，η为经验系数，取0.1～0.5。

通过对比此计算公式误差小，精度高，可以满足仿真计算的要求。

通过本发明计算公式(2)获取屈服函数系数A₀、A₁、A₂：

式中：c为土壤粘聚力，单位为MPa，

为土壤内摩擦角，单位为度。

可以看出方程(1)和(2)涉及的输入参数为土壤的剪切模量、泊松比、内摩擦角和粘聚力，得出土壤的体积模量和屈服函数系数。

在一个实施例中，以粘土为例，剪切模量为2.8e+7Pa，泊松比为0.3，内摩擦角为20°，粘聚力为0.05MPa，经验系数取0.27，得出剪切模量为1.8e+7Pa，屈服函数系数为A₀为0.002，A₁为0.03，A₂为0.5；

步骤四，将第三步生成的k文件导入LS-DYNA软件中，并设置计算参数，包括NCPU、MEMORY参数；通过软件自带的显示求解器进行仿真计算，计算完成后在工作目录自动生成d3plot结果文件，将生成的d3plot结果文件导入到LS-PREPOST软件中，在Post界面查看飞行器着陆缓冲过程中六个自由度的位移、速度、加速度响应及缓冲气囊的内压、体积等曲线，并输出曲线数据并分析处理结果。

在一个具体实施例中，参数的选择为：飞行器的X、Y、Z重心为(2000mm、0、0)、重量为200kg、转动惯量为(95、0、0、1200、0、1200)kg.m²、垂直下落速度为6m/s；缓冲气囊的气体定容比热容为717、气体定压比热容为1004、气体温度为288K、气体密度为1.225kg/m³、排气口面积0.025m²、环境压力101300Pa、初始相对超压3000Pa、爆破相压20000Pa；地面模型参数的密度为1850kg/m³，剪切模量为2.8e+7Pa，体积模量为1.8e+7Pa，塑性屈服函数系数A0为0.002，塑性屈服函数系数A1为0.03，塑性屈服函数系数A0为0.5；NCPU选择4、MEMORY参数输入99999999；求得的飞行器Y向的加速度响应曲线如图6所示，缓冲过程中最大加速度为90m/s²。

综上，本发明提供的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置和方法相比于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明提出的计算方法能够准确的获取模型中地面性能的参数，准确的计算飞行器着陆过程中的仿真结果，为分析飞行器着陆缓冲过程提供了依据；

(2)本发明的计算方法计算周期短，成本低，并且能正确的输出飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，可以作为研究带缓冲气囊飞行器着陆过程的有效方法。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置，其特征在于，包括建模模块、参数计算模块和仿真求解模块；所述的建模模块根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器和缓冲气囊的几何模型并划分网格，创建地面几何模型并划分网格，并将获得的数据传送给参数计算模块和仿真求解模块，所述的参数计算模块计算仿真模型需要输入的参数，包括但不限于飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，将参数传送给仿真求解模块；所述的仿真求解模块按照划分网格后的几何模型和参数进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

2.根据权利要求1所述的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置，其特征在于，所述的地面性能参数中土壤的体积模量计算公式为：

式中：E_T为体积模量，E_S为剪切模量，μ为泊松比，η为经验系数，取0.1～0.5。

3.根据权利要求1或2所述的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真装置，其特征在于，所述的地面性能参数中土壤的屈服函数系数A₀、A₁、A₂计算公式为：

式中：c为土壤粘聚力，单位为MPa，

为土壤内摩擦角，单位为度。。

4.如权利要求1-3所述的一种带缓冲气囊飞行器着陆过程的仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据飞行器和缓冲气囊的外形尺寸创建飞行器、缓冲气囊和地面的几何模型；

根据获得的几何模型划分网格；

根据飞行器的参数和飞行参数，气囊性能参数，地面性能参数和约束条件，计算仿真模型需要输入的参数；

根据输入的参数和划分了网格的几何模型进行仿真计算，得到飞行器着陆缓冲过程中飞行器的性能参数和缓冲气囊的状态参数，并对得到的参数处理和输出。

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