CN116029170A

CN116029170A - 一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法

Info

Publication number: CN116029170A
Application number: CN202211193757.8A
Authority: CN
Inventors: 刘宇; 赵淼; 张章; 王奇; 滕海山; 张文博; 董海波; 聂成文; 蔡胜霞
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明公开了一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法，包括：确定火箭整流罩减速伞开伞高度区间及开伞来流速度区间；根据火箭整流罩在气流坐标系中飞行姿态建立几何模型；对几何模型进行有限元网格划分，建立有限元模型；对有限元模型进行计算求解得到流场运动、减速伞变形、火箭整流罩与流场的相互作用力和伞衣与流场之间相互作用力。本发明解决了目前火箭整流罩尾流场影响下减速伞开伞过程难以准确预测的问题，可以为火箭整流罩减速伞开伞过程安全性设计提供参考。

Description

一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法

技术领域

本发明属于航天器再入与返回技术领域，尤其涉及一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法。

背景技术

我国运载火箭的整流罩在发射上升段一百多公里的高度分离后无控坠落，着陆区域散布很大，给火箭整流罩落区人员和建筑带来很大威胁，组织清场疏散的成本很高。采用精确回收系统实现火箭整流罩的再入定点着陆十分必要，不仅可以解决我国运载火箭整流罩的落区控制问题，而且有利于火箭整流罩的可重复使用。在上述火箭整流罩再入落区控制与定点着陆过程中，减速伞能否正常开伞直接影响整个项目的成败。而目前针对减速开伞的常规分析方法包含诸多缺陷，包括：来流条件通过估算得出，未考虑真实飞行弹道下来流条件的变化；火箭整流罩尾流场视为不随时间变化的定常流场，对尾流场的非定常效应考虑不足；忽略减速伞伞衣织物材料的透气性，导致伞衣前后的压力计算结果与真实值误差较大。以上因素导致现有方法无法对火箭整流罩减速伞开伞过程中动力学特征及减速伞各结构的应力应变进行准确预测。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法，解决了目前火箭整流罩尾流场影响下减速伞开伞过程难以准确预测的问题，可以为火箭整流罩减速伞开伞过程安全性设计提供参考。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法，包括：确定火箭整流罩减速伞开伞高度区间及开伞来流速度区间；根据火箭整流罩在气流坐标系中飞行姿态建立几何模型；对几何模型进行有限元网格划分，建立有限元模型；对有限元模型进行计算求解得到流场运动、减速伞变形、火箭整流罩与流场的相互作用力和伞衣与流场之间相互作用力。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，所述几何模型包括流场计算域、火箭整流罩及减速伞；其中，减速伞包含伞衣、伞绳及吊带，伞衣为折叠状态。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，根据火箭整流罩在气流坐标系中飞行姿态建立几何模型包括：对流场划分为六面体流场单元，火箭整流罩及伞衣划分为壳单元，伞绳及吊带划分为线单元；其中，六面体流场单元通过网格敏感性分析确定；流场材料类型定义为理想气体，气体的密度、温度及压强物由开伞高度对应的标准大气参数确定；火箭整流罩材料类型定义为刚体；伞衣、伞绳及吊带材料类型定义为线性弹性体，伞衣、伞绳及吊带材料的密度、弹性模量及泊松比由试验测量确定；火箭整流罩固定于流场内部不发生运动，自由度为0；减速伞通过吊带的一端固定于流场内部，减速伞绕固定点自由摆动，自由度为3；通过罚函数方法，对火箭整流罩与流场之间及伞衣与流场之间进行流固耦合设置；其中，伞衣及流场之间的流固耦合设置包括伞衣织物透气性设置，伞衣织物透气性参数通过拟合试验结果获得；对流场网格边界分别设置为速度入口、压力出口及壁面；其中，入口流速为减速伞开伞来流速度，出口压力为开伞高度标准大气压力。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，流场运动通过有限元法对N-S方程进行计算求解；减速伞变形通过有限元法对弹性力学本构方程进行计算求解；火箭整流罩与流场的相互作用力和伞衣与流场之间相互作用力均通过罚函数方法求解。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，N-S方程通过如下公式得到：

其中，ρ为空气密度，f为体积力，e为比内能，σ为柯西应力张量，v和w分别为空气质点运动速度和相应的网格坐标点运动速度，t为时间。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，弹性力学本构方程通过如下公式得到：

其中，ρ_s为材料密度，σ_s为柯西应力张量，u_s为单元节点运动速度，t为时间。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，罚函数通过如下公式得到：

F＝kd；

d＝∫(v_m-v_s)dt；

其中，F为火箭整流罩与流场的相互作用力或伞衣与流场之间相互作用力，k为耦合刚度，d为穿透距离，v_m为流场节点运动速度，v_s为火箭整流罩节点运动速度或伞衣节点运动速度。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，伞衣织物透气性设置包括：计算伞衣的透气速率与伞衣两侧压差的关系公式。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，伞衣的透气速率与伞衣两侧压差的关系公式为：

其中，Δp为伞衣两侧压差，v_q为伞衣的透气速率，ρ和μ分别为流过织物气流的密度和粘度，K₁和K₂均为常数。

上述火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法中，对开伞来流速度区间内多个不同气流速度下伞衣两侧压力差值进行测量，对测量结果进行二次曲线拟合，即得到常数K₁、K₂。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明可以在计算过程中考虑火箭整流罩非定常尾流场、真实飞行弹道及伞衣织物透气性等多个影响因素，对减速伞开伞过程中动态气动阻力特征及摆动特征，以及减速伞开伞过程中各结构的应力及应变进行准确预测；

(2)本发明引入罚函数方法处理火箭整流罩及减速伞与外部高速流场之间的流固耦合问题，极大提高了有限元模型建模效率及网格质量；

(3)本发明有助于解决目前火箭整流罩尾流场影响下减速伞开伞过程难以准确预测的问题，可以为火箭整流罩减速伞开伞过程安全性设计提供参考。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的几何模型整体示意图；

图3是本发明实施例提供的减速伞示意图；

图4是本发明实施例提供的流场单元示意图；

图5是本发明实施例提供的伞衣单元示意图；

图6是本发明实施例提供的减速伞固定点示意图；

图7是本发明实施例提供的流场边界条件示意图；

图8是本发明实施例提供的减速伞吊带受力示意图；

图9是本发明实施例提供的伞衣不同方向应力示意图；

图10是本发明实施例提供的伞衣等效应力示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的火箭整流罩减速伞开伞过程有限元分析方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

(1)确定火箭整流罩减速伞开伞高度区间及开伞来流速度区间；

(2)根据火箭整流罩在气流坐标系中飞行姿态建立几何模型；

(3)对几何模型进行有限元网格划分，建立有限元模型；

(4)对有限元模型进行计算求解得到流场运动、减速伞变形、火箭整流罩与流场的相互作用力和伞衣与流场之间相互作用力。

具体的，(1)通过根据火箭整流罩下落过程中飞行弹道及减速伞开伞动压条件，确定火箭整流罩减速伞开伞高度区间及开伞来流速度区间，其中开伞高度区间为后续有限元模型设置中大气参数输入提供取值范围，开伞来流速度区间为入口边界速度参数提供依据取值范围。

(2)根据火箭整流罩在气流坐标系中飞行姿态，建立几何模型。其中减速伞与火箭整流罩相对位置由减速伞吊挂设计方案确定。如图2所示，几何模型包括流场计算域、火箭整流罩及减速伞。如图3所示，减速伞包含伞衣、伞绳及吊带，伞衣为折叠状态。

(3)对几何模型进行网格划分，建立有限元模型。并对有限元模型进行参数设置，包括流场、火箭整流罩及减速伞材料属性设置，火箭整流罩及减速伞约束设置，火箭整流罩与流场及伞衣与流场之间流固耦合设置，流场边界条件及初始条件设置，具体步骤如下：

(3.1)如图4所示，对流场划分为六面体单元。如图5所示，火箭整流罩及伞衣划分为壳单元，伞绳及吊带划分为线单元。流场六面体单元尺寸通过网格敏感性分析确定。

(3.2)流场材料类型定义为理想气体，气体的密度、温度及压强等物理参数由开伞高度对应的标准大气参数确定。火箭整流罩材料类型定义为刚体。伞衣、伞绳及吊带材料类型定义为线性弹性体，材料的密度、弹性模量及泊松比等物理参数由试验测量确定。

(3.3)火箭整流罩固定于流场内部不发生运动，自由度为0。如图6所示，减速伞通过吊带一端固定于流场内部，减速伞可绕固定点自由摆动，自由度为3。

(3.4)通过罚函数方法，对火箭整流罩与流场之间及伞衣与流场之间进行流固耦合设置。伞衣及流场之间的流固耦合设置包括伞衣织物透气性设置，伞衣织物透气性参数通过拟合试验结果获得。

(3.5)如图7所示，对流场网格边界分别设置为速度入口、压力出口及壁面。入口流速为减速伞开伞来流速度，出口压力为开伞高度标准大气压力。

(4)对有限元模型进行计算求解。其中流场运动通过有限元法对N-S方程进行计算求解，伞衣、伞绳及吊带变形通过有限元法对弹性力学本构方程进行计算求解，火箭整流罩与流场及伞衣与流场之间相互作用力通过罚函数方法求解。通过时间推进求解方法，对减速伞开伞过程进行非定常计算，获得减速伞开伞过程中的动态气动阻力特征及摆动特征，以及减速伞开伞过程中各结构的应力及应变，减速伞吊带受力计算结果如图8所示，减速伞开伞后伞衣各方向应力及等效应变计算结果如图9及图10所示，具体步骤如下：

(4.1)采用显式有限元方法，对任意拉格朗日-欧拉形式的N-S方程进行求解计算流场运动，方程可写为如下形式，其中ρ为空气密度，f为体积力，e为比内能，σ为柯西应力张量，v和w分别为空气质点运动速度和相应的网格坐标点运动速度。

在求解过程中，变量的单元积分采用单点高斯积分，时间推进采用二阶欧拉格式。

(4.2)采用显式有限元方法，对弹性本构方程进行求解计算伞衣、伞绳及吊带运动，方程可写为如下形式，其中ρ_s为材料密度，σ_s为柯西应力张量，u_s为单元节点运动速度。

(4.3)由步骤(4.1)计算的流场运动结果，计算火箭整流罩单元与流场单元之间相对位移；由步骤(4.1)计算的流场运动结果结合步骤(4.2)计算的伞衣运动结果，计算伞衣单元与流场单元之间的相对位移。并结合耦合刚度，通过罚函数方法计算火箭整流罩与流场及伞衣与流场之间相互作用力。具体实施方法如下：

当伞衣单元与流场单元之间相对运动时，定义穿透距离d为：

d＝∫(v_m-v_s)dt

其中v_m，v_s分别为流场节点及伞衣节点运动速度。设耦合刚度为k，耦合的作用力定义为：

F＝kd。

(4.4)将步骤(4.3)计算得到的火箭整流罩与流场及伞衣与流场之间相互作用力分别代入步骤(4.1)及步骤(4.2)，重复步骤(4.1)至步骤(4.3)，通过时间推进方法，对减速伞开伞过程进行求解，获得减速伞开伞过程中气动阻力(即为减速伞吊带受力)随时间变化规律，减速伞的摆动幅度及摆动频率，以及减速伞开伞过程中各结构的应力及应变。

在步骤(3.4)中，伞衣与流场之间流固耦合设置考虑伞衣织物透气性的影响，伞衣织物透气性参数在减速伞开伞动压条件基础上，通过拟合织物透气性试验结果获得，具体步骤如下：

降落伞伞衣的透气速率与伞衣两侧压差的关系可表示为如下形式，其中Δp为伞衣两侧压差，v_q为伞衣的透气速率，K₁、K₂为常数，仅由织物决定，ρ、μ分别为流过织物气流的密度和粘度。

根据步骤(1)确定的减速伞开伞速度区间，通过织物透气性测试设备，对开伞速度区间内多个不同气流速度下伞衣两侧压力差值进行测量，对测量结果进行二次曲线拟合，即可计算得到上式中的K₁、K₂。

在步骤(3.1)中，流场单元尺寸通过网格敏感性分析确定，具体步骤如下：

通过步骤(1)及步骤(2)建立几何模型后，给定初始流场网格单元尺寸对流场进行网格划分，利用步骤(3)及步骤(4)建立有限元模型并进行初步计算，确定火箭整流罩及减速伞尾流区域。随后对火箭整流罩及减速伞物面和尾流区域网格进行加密，并重复步骤(3)及步骤(4)，对流场网格加密后的有限元模型进行求解。以减速伞开伞稳定后气动阻力随时间变化均值为计算结果网格无关性评价指标，如流场网格加密前及加密后计算结果相对变化量小于5％，则认为当前网格尺寸满足网格无关性要求；如计算结果相对变化量大于5％，则对网格进行进一步加密并计算，直到网格加密前后计算结果相对变化小于5％。

本实施例结合火箭整流罩的飞行弹道及减速伞开伞动压条件，对高空高速条件下的减速伞开伞过程进行仿真计算。本实施例可以考虑火箭整流罩薄壁开口结构所导致的复杂尾流场对减速伞开伞过程的影响，对减速伞开伞过程中的动态气动阻力特征及摆动特征，以及减速伞开伞过程中各结构的应力及应变进行准确预测。本实施例通过在计算中引入罚函数方法，在解决减速伞大变形柔性织物结构与外部高速流场之间流固耦合难题的同时，无须在物面生成贴体网格单元，极大提高了有限元建模效率及网格质量。本实施例通过改变火箭整流罩相对于气流坐标系飞行姿态、不同开伞高度及开伞来流速度，可以分析减速伞开伞关键影响因素的变化对减速伞开伞过程的影响，为减速伞方案设计提供参考。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。