专利名称：基于fsi的复杂折叠织物逆向建模方法
技术领域：
本建模方法涉及折叠织物逆向建模研究，首次采用基于流固耦合逆向建模技术来 模拟气囊未展开时的形状外形，有效模拟多维空间复杂的自然褶皱，解决了特种气囊折叠 问题。
背景技术：
建模是计算仿真过程中重要的部分，一般建模花费整个仿真过程一半以上的时 间。气囊模型的好坏将直接影响充气过程中囊体外形的变化，以及最终仿真是否成功。目 前，气囊的折叠方法可以归结为两种直接折叠法和初始矩阵法(IMM)。直接折叠法按照气 囊的实际折叠方式建立相应的有限元网格，主要针对简单的二维气囊；初始矩阵法可以对 三维气囊进行折叠，选取一个可以展平的简单几何形体(如长方体、梯形体等)建立有限元 网格，映射实际气囊的几何形状。但无论哪种方法都局限于外形简单气囊，对外形特殊轴径 比大的气囊，存在复杂折叠情况的特殊气囊建模无法适用。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提，解决特种气囊建模问题，供一种基于 FSI的复杂折叠织物逆向建模方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明基于FSI的复杂折叠织物逆向建模方法，包括以下步骤 第一步对整个气囊划分网格
使用三角形单元对囊体划分网格，流场使用六面体网格；织物使用壳结构单元，穿插于 流场网格中；
第二步对气囊进行分段流固耦合计算建立折叠模型
非计算部分为刚体即不可发生变形；逆向折叠部分为织物材质，在流体作用下织物材 质的囊体将发生变形
流场控制方程由质量方程、动量方程和能量方程组成，分别为
dp — B^i dp
--=—ff-.··" ---
dEQE
P^t=+PbiVi-PWj
式中兮表示物质速度；巧表示相对速度Wl=Vf-Ui ；Uf表示网格的速度Oe表示应力 张丨I^g = -P^i + fK^ij + Vj))；、表示单位体积力；今表示Kronecker S ~函数；网格控制方程为
df (X^t) d(^t) t r dj^t)
at at 1 at
為表示拉格朗日坐标，巧表示欧拉坐标；巧表示相对速度； 结构控制方程为
Mw+Cw+Kw-F
其中#、〔#分别表示单元质量、阻尼模量和弹性模量f表示膜单元所受合力； 采用显式的松散耦合方法进行计算在起始步将流固耦合界面的形状作为流场的边界 进行流场求解，计算出流固耦合界面上的流体力，然后把求得的流体力当作耦合面上的荷 载，计算气囊的结构变形，得到新的流固耦合界面位置；不断重复上述交互过程，直至达到 预订求解时间或者问题收敛；
第三步对折叠后的单元进行调整
将囊体单元应变小于0.01，并且折叠后囊体高度在设计范围内的囊体单元导出；在相 关的前处理软件中进行优化调整，消除囊体单元间交叉和重叠现象； 第四步对其余部分继续折叠
将已经折叠好的囊体和非计算部分设置为刚体，对下一段囊体进行逆向折叠，重复第 二步至第三步，直至囊体完全折叠完毕。本发明的有益效果是模型符合工程实际，结果可靠。
图1未逆向折叠时的气囊模型； 图2逆向折叠段的单元；
图3单元调整； 图4逆向折叠后的气囊模型；
图5 (a)基于FSI的逆向折叠模型与(b) —般折叠模型充气后对比。
具体实施例方式下面以某特种气囊为例进行建模
首先，使用前处理软件对气囊划分网格，使用三角形单元划分气囊，流场用六面体划 分，并对囊体网格进行分段，对其中一段进行折叠建模(图1所示)。对上述气囊建立FSI模型，设定流体从囊顶向下作用于囊体。入口气体是温度为 298K的空气，其速度是SftBh，质量流量为。折叠部分材质设定为织物，弹性模量为
5E8Pa，泊松比为0. 2，密度为870电/m3，其余部分设定为刚体。在囊体发生变形过程中，将囊体单元应变小，并且折叠后高度处于允许范围内的 瞬时单元导出(图2)。在前处理软件中进行微调整，单元节点位移量设定为0. 05·(图3)， 以保证模型在充气后与设计外观、尺寸一致。重复以上过程，直至气囊完全折叠(图4)
为了验证逆向折叠建模的可靠性，图5为逆向建模法与一般折叠法得到模型在充气后外形的对比，可以发现逆向折叠建模单元未发生畸变，沙漏变形控制在一定范围内，保证了 囊体充满后囊体外表饱满。而一般折叠法建模非常困难，在充气过程中，外形与设计外形严 重不符，单元发生畸变，以至于无法继续计算。基于流固耦合逆向建模充气后囊体尺寸与设 计囊体尺寸对比，可以发现囊体与实际外形一致(表1)，如果不考虑充气后囊体发生弹性变 形，逆向建模得到的模型充更加接近设计尺寸。 表1基于流固耦合逆向建模充气后囊体尺寸与设计囊体尺寸对比
囊体结构高度设计尺寸充气后尺寸半球状头部0. 3m0.327m圆柱状中部1. 5m1.512m圆锥状尾部Im1. 154m
权利要求
1. 一种基于FSI的复杂折叠织物逆向建模方法，其特征在于包括以下步骤 第一步对整个气囊划分网格使用三角形单元对囊体划分网格，流场使用六面体网格；织物使用壳结构单元，穿插于 流场网格中；第二步对气囊进行分段流固耦合计算建立折叠模型非计算部分为刚体即不可发生变形；逆向折叠部分为织物材质，在流体作用下织物材 质的囊体将发生变形流场控制方程由质量方程、动量方程和能量方程组成，分别为
全文摘要
本发明公布了一种基于FSI的复杂折叠织物逆向建模方法，所述方法如下(1)对完全或部分展开的气囊划分网格；(2)对气囊进行分段流固耦合计算，建立各段折叠模型；(3)将单元应变较小，并且折叠后囊体高度在允许范围的瞬时单元导出；(4)对囊体单元进行细微调整，消除囊体单元间交叉和重叠现象；(5)将已经折叠好的囊体设置为刚体，对其余部分继续采用(2)-(4)的步骤，直至完成囊体的逆向折叠。本发明首次采用流固耦合逆向建模技术对复杂折叠气囊进行折叠建模，有效模拟多维空间复杂的自然褶皱，解决了轴径比大、存在复杂折叠情况有特殊要求的气囊建模问题，大大提高特种气囊工作过程仿真成功率。
文档编号G06F17/50GK102004820SQ201010536399
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者余莉, 刘雄, 呼政魁, 张绳, 程涵 申请人:南京航空航天大学