一种虚拟结构的降落伞流固耦合模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种虚拟结构的降落伞流固禪合模拟方法，属于气动减速技术领域。
【背景技术】
[0002] 降落伞是一种优良的气动减速装置，其开伞可靠性是伞-载系统最为关屯、的问题。 降落伞开伞过程是流场结构剧烈作用的过程，采用流固禪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。
[0003] 由于降落伞开伞过程是大变形流固禪合问题，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、崎变，导致计算无法进行。为解决网格崎 变问题，常采用网格更新技术(如拉伸弹黃法或改进弹黃法，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 CHRISTOPH D,CHARBEL F.A three-dimensional torsional spring analogy method for unst;ruc1:ured dynamic meshes等），但上述方法均用在刚体运动中，网格变形较小。对于降 落伞开伞过程运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：Takizawa K,Wright S,Moorman C,Tezduyar TE.Fluid-structure interaction modeling of parachute clusters.Int J Numer Methods Fluids 2011:65(1-3) :286-307),作者采用拉伸弹黃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禪合模拟，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禪合计算，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.A computational study of supersonic disk-g曰p-b曰nd p曰r曰chutes using Lsrge-Eddy simul曰tion coupled to 曰 structural membrane . Journal of Fluids and Structures ,27(2),175-92(2011)D0I 10.1016/ j.jf Iuids化ucts. 2010.11.007)。为回避网格大变形运个难点问题，有的学者采用浸入边 界方法开展降落伞的流固禪合研究（参考:Karagiozis ,K. ,Kamakoti ,R. ,Cirak,F.etc.A comput曰tion曰I study of supersonic disk-g曰p-b曰nd p曰r曰chutes using Lsrge-Eddy simulation coupled to a structural membrane.Journal of Fluids and Structures, 27(2)，175-92(2011)D0I10.1016/j. jfluids 化 11。*3.2010.11.007)，但浸入边界法是一种 非边界配合技术，禪合面的信息需要通过插值才能得到，误差较大。
[0004] 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禪合计算的稳健性，使 超音速情形下开伞过程的流固禪合模拟成为可能。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是针对现有柔性织物大变形流固禪合中极易出现的网格负体积，导致 禪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禪合模拟方法，该方法提 高了流固禪合计算的稳健性，并可应用于超音速下大变形降落伞开伞过程的模拟。
[0006] 本发明提供的一种虚拟结构的降落伞流固禪合模拟分析方法，在伞衣大变形边缘 建立外延窄带型虚拟结构W减小伞衣附近的流场网格崎变量;建立结构和流场的网格模 型，对真实降落伞执行流固禪合并行计算，对外延虚拟结构执行结构计算;采用多尺度弹黃 模拟方法结合局部重构法更新流场区域网格。
[0007] 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W下公式给定：
[0009] 其中r为最大开伞动载时伞的投影半径，S为伞衣厚度，V为伞衣材料泊松比，Fk max 表示最大开伞动载。
[0010] 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， W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巧塌造成的负体积问题采用多尺度弹黃模拟结合局部重构 技术进行网格更新。
[0011] 所述对真实伞衣执行流固禪合并行计时，在每一时间步上对禪合面即伞衣的位移 和速度及气动力参数执行信息的双向传递。
[0012] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0013] 本发明的有益效果是:可W大大提高网格质量，解决大变形禪合计算的负体积问 题，提高计算的稳健性，计算结果符合工程实际。
【附图说明】
[0014] W下将结合附图对本发明作进一步说明：
[0015] 图1是虚拟结构微元受力示意图；
[0016] 图2是结构网格模型示意图；
[0017] 图3是流场网格模型的几何模型；
[0018] 图4是流场网格模型的对称面上的体网格图；
[0019] 图5是伞衣外形变化图；
[0020] 图6是速度云图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明提供一种虚拟结构的降落伞流固禪合模拟分析方法，为使本发明的目的， 技术方案及效果更加清楚，明确，W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W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022] 本发明采用如下技术方案：
[0023] 第一步:确立伞衣虚拟结构参数
[0024] 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。
[0025] 下面推导弹性模量需满足的条件。
[0026] 对厚圆球壁面，其厚度方向主应力为：
(1)
[0028] 其中，a为圆球内半径，b为圆球外半径，r功所求点处的半径，P功圆球内压(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)。
[0029] 将降落伞参数代入式(1)，则开伞过程中单元截面