一种基于流固耦合的伞降仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流固耦合的伞降仿真方法，利用计算机仿真方法对外界风场作用下的伞降过程进行分析。本发明方法首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤：步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型；步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度—时间曲线作为所述迎风面的边界条件；步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。本发明充分考虑了外界风场对三维降落伞减速的影响，从而有效模拟真实外界风场环境对开伞过程的力学作用，使得伞降过程的计算机仿真结果更接近真实情况。
【专利说明】一种基于流固耦合的伞降仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种伞降仿真方法，尤其涉及一种基于流固耦合的伞降仿真方法，利用计算机仿真方法对外界风场作用下的伞降过程进行分析，可为降落伞设计人员提供设计参考。
【背景技术】
[0002]降落伞以重量轻，减速效果好等特点在航空、航天以及兵器等领域有着广泛的应用。而降落伞的伞降过程却是一个典型的流固耦合、强非线性时变系统:柔性织物在内、外流场的作用下发生急剧大变形，这是一个几何非线性与材料非线性并存的瞬间大变形结构动力学问题；而伞衣内外流场也十分复杂，伞衣内部为显著的湍流状态，外部存在严重的分离现象。针对这一强非线性问题，国内外普遍采用松散耦合的方法对降落伞充气展开进行研究，但是松散耦合在流体计算时无法考虑结构惯性力的影响，并且不考虑织物应力和应变，同时也不考虑降落伞在空间的运动过程(Yu L, Ming X.Study on transientaerodynamic characteristics of parachute opening process.Acta MechanicaSinica, 2007, 23(6): 627-633.)。而现有基于ALE的流固耦合方法很好的考虑了结构惯性力和织物力学特性，但只能模拟风洞条件下伞衣充气过程(可以参考: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.)，无法同时考虑降落伞完整的工作过程和外界风场，因为两者在航空航天回收领域中分别属于有限质量情况和无限质量情况研究范畴(可以参考:王利荣.降落伞理论与应用.北京:宇航出版社，1997)。
[0003]外界风场环境不仅影响降落伞的空中运动轨迹、伞载系统运动稳定性，进而影响到着陆位置，更重要的是外界风场会对开伞过程会产生巨大的影响:(1)影响充气时间，进而影响过载变化；(2)影响伞衣外形，在不利风场环境下甚至可能出现伞衣扭转，无法打开等现象。针对外界风场环境影响研究，目前主要依赖大量的实物空投试验，但试验数据收集困难，很难对风场影响评估。而现有数值仿真方法无法考虑风场对伞降过程的影响，为解决这一技术难题，需要对现有的流固耦合方法进行改进。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于流固耦合的伞降仿真技术的不足，提供一种于流固耦合的伞降仿真方法，充分考虑了外界风场对三维降落伞减速的影响，从而有效模拟真实外界风场环境对开伞过程的力学作用，使得伞降过程的计算机仿真结果更接近真实情况。
[0006]本发明的基于流固耦合的伞降仿真方法，首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤:步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型；
步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度一时间曲线作为所述迎风面的边界条件；
步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。
[0007]优选地，所述建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型，具体如下:采用壳单元对伞衣和载荷划分网格，采用杆单元对伞绳和加强带划分网格，采用体单元划分流场网格；其中，流场网格与伞衣网格、伞绳网格、加强带网格、载荷网格相互穿插。
[0008]优选地，所述外界风场的速度一时间曲线通过预先实际测量外界风场得到。
[0009]优选地，所述定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同，具体通过以下方法实现:
在载荷网格中选取三个参考节点，假设其空间坐标矢量分别为AA和A，则根据这三个参考节点可以定义一个坐标系:
【权利要求】
1.一种基于流固耦合的伞降仿真方法，首先建立伞降过程的有限元模型，然后利用流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算；其特征在于，所述建立伞降过程的有限元模型，具体包括以下步骤: 步骤1、建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型； 步骤2、根据外界风场的来流方向，定义流场网格的迎风面，并以外界风场的速度一时间曲线作为所述迎风面的边界条件； 步骤3、定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同。
2.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述建立包括伞衣、伞绳、加强带、载荷及流场的网格模型，具体如下:采用壳单元对伞衣和载荷划分网格，采用杆单元对伞绳和加强带划分网格，采用体单元划分流场网格；其中，流场网格与伞衣网格、伞绳网格、加强带网格、载荷网格相互穿插。
3.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述外界风场的速度一时间曲线通过预先实际测量外界风场得到。
4.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述定义流场网格的运动方式与载荷的运动方式相同，具体通过以下方法实现:在载荷网格中选取三个参考节点，假设其空间坐标矢量分别为AA和B，则根据这三个参考节点可以定义一个坐标系:
5.如权利要求1所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，所述流固耦合方法为任意拉格朗日流固耦合方法。
6.如权利要求5所述基于流固耦合的伞降仿真方法，其特征在于，在利用任意拉格朗日流固耦合方法对建立的有限元模型进行分析计算时，空气和伞衣相互间作用采用罚函数实现，计算直至折叠伞衣完全打开并进入稳降阶段。
【文档编号】G06F17/50GK103559335SQ201310482373
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】余莉, 程涵, 言今, 杨雪, 展亚南, 陈潇 申请人:南京航空航天大学