一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法，包括：建立翼伞结构全尺寸几何模型；建立翼伞结构模型；赋予所述网格单元属性，其中，对所述翼伞结构几何模型中伞衣部分选用薄膜单元，伞绳部分选用索单元，并采用罚函数法处理薄膜单元与索单元之间的接触碰撞问题；建立翼伞操纵绳双侧下拉动力学模型；建立流固耦合以及操纵绳下拉操纵动力学耦合模型，进行翼伞雀降运动流固耦合仿真计算。本发明专利技术仿真效率明显提高，该翼伞雀降运动模型的建立与仿真计算，可以得到翼伞雀降过程中的雀降性能、动力学响应、结构响应及翼伞外形变化等参数，为工程实践提供可靠参考。为工程实践提供可靠参考。为工程实践提供可靠参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法


[0001]本专利技术属于空降设备
，具体涉及一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法。

技术介绍

[0002]冲压翼伞是由柔性织物组成的，具有储存空间小、滑翔比高、操作性好等优点，在航天返回中有着重要的作用。
[0003]冲压翼伞呈矩形翼，翼的上下表面用内肋隔开固定，形成盒式翼型气室。开伞时，通过前缘切口进入冲压空气形成滞止压力维持伞形结构，拥有高升阻比的气动性能、优良的滑翔能力、良好的稳定性和操作性，能实现安全、准确的着陆，此外冲压翼伞能像传统的降落伞一样方便地折叠包装，具有体积小、重量轻、便于携带搬运的特点，在航空航天、民用、军事等领域得到广泛应用。
[0004]冲压翼伞具有优良的操纵特性，在精确空投、伞兵空降以及极限运动等诸多领域得到了广泛的应用。翼伞通过快速下拉两侧操纵绳的方式来是升力系数和阻力系数迅速增大，从而是翼伞载荷的水平速度和竖直速度迅速减小，从而实现载荷的平稳着陆，对于保障回收物甚至飞行员的安全起到至关重要的作用，该过程成为翼伞的“雀降”，其本质是一种小心操纵的动力失速。
[0005]当翼伞后缘偏转的操纵过程会显著改变翼面的整体气动布局，同时需要多根操纵绳精确协同控制，是典型的气动与结构紧耦合问题，涉及到的动力学问题复杂多变。该问题的数学建模分析以及求解的难度都较大，相关理论也并不成熟。其次，除了复杂的结构大变形之外，伞衣区域附近的内外流场也将经历急剧和复杂的变化，在伞衣内部，流动处于显著的湍流状态；在伞衣外部，存在着流场分离以及复杂涡系的相互作用，这些都是流体力学中的难点问题，目前都未被很好地解决。最后，考虑到翼伞雀降过程中流场变化和结构变形并不是独立存在，而是伞衣的结构变形与伞衣周围的流场变化相互影响、相互作用。因此本质上来看，整个雀降过程是一个结构动力学与流体动力学高度耦合的复杂流固耦合问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，建立翼伞结构全尺寸几何模型；
[0008]步骤2，对翼伞结构全尺寸几何模型进行网格划分，得到翼伞结构网格模型；
[0009]步骤3，建立翼伞结构的动力学控制方程，赋予所述网格单元属性，其中，对翼伞结构全尺寸几何模型中伞衣部分选用薄膜单元，伞绳部分选用索单元，并采用罚函数法处理薄膜单元与索单元之间的接触碰撞问题；
[0010]步骤4，建立翼伞操纵绳双侧下拉动力学模型；
[0011]步骤5，建立流固耦合模型以及操纵绳下拉动力学耦合模型，进行翼伞雀降运动流
固耦合仿真计算。
[0012]步骤3中，所述翼伞结构的动力学控制方程为：
[0013][0014]其中，ρ
s
为翼伞结构的材料密度，σ
s
为柯氏应力张量，f
s
为作用在翼伞结构的外部力，u为翼伞结构质点的速度矢量，t为计算时间，为偏微分运算符号。
[0015]步骤3中，所述薄膜单元的本构方程为：
[0016][0017][0018][0019]其中，ε1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向应变，σ1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向应力，θ1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向泊松比，E1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向弹性模量，ε2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向应变，σ2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向应力，θ2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向泊松比，E2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向弹性模量，ε
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的切向应变，τ
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的切应力，G
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的剪切模量，α为翼伞伞衣结构薄膜单元的非线性系数。
[0020]步骤3中，所述索单元的本构方程为：
[0021][0022]其中，ε为翼伞伞绳索单元的纵向应变，σ为翼伞伞绳索单元的纵向应力，E为翼伞伞绳索单元的纵向弹性模量。
[0023]步骤3中，所述采用罚函数法处理薄膜单元与索单元之间的接触碰撞问题，具体包括：
[0024]在每一个时间步长开始时，检查每一个从节点，如果从节点没有穿透主面，则不作任何处理；如果从节点穿透主面，则在从节点与主面之间增加一个接触力。
[0025]因为流固耦合问题是一个非定常计算问题，所以采用时间推进方式进行计算，因此需要将计算时间t进行离散化处理，得到流固耦合仿真计算时间步长Δt，时间步长计算公式为：Δt≤Δtcr，Δtcr为收敛计算的临界时间步长，其中其中m为网格单元质量，k为网格单元等效刚度系数。
[0026]步骤3中，所述接触力的大小与从节点穿透的距离、主面的刚度成正比；
[0027]通过减小时间步长降低接触力F
s
的振荡程度；
[0028]接触力Fs计算公式为：其中k
l
为由材料属性决定的接触刚度，C为
阻尼系数(相关文献取临界阻尼的5％进行计算)，d为接触位移；；
[0029]接触位移d由结构节点与流场节点间相对速度进行计算：
[0030]d
t0+Δt
＝d
t0
+(v
s
‑
v
f
)
·
Δt，
[0031]其中d
t0+Δt
为下一时间步的接触位移，v
s
与v
f
分别为结构节点的速度矢量和流场节点的速度矢量；由接触位移计算公式可知，时间步长越小，接触位移越小，接触力变化越小。
[0032]步骤4包括：采用置大数法对操纵绳下拉点引入位移边界条件，进行位移边界约束处理：设定给定节点的位移u
i
为单元节点位移，为给定单元节点位移，在u
i
所在行中，将结构刚度矩阵的主对角元素k
ij
置入大数Z，如Z取值10
30
，同时，将对应行的载荷项p
i
用代替，从而得到翼伞操纵绳双侧下拉动力学模型。
[0033]步骤5中，采用ALE任意拉格朗日
‑
欧拉法和径向基函数插值法建立流固耦合模型求解耦合界面节点位移，具体包括：在拉格朗日描述的材料域以及欧拉描述的空间域中，引入一个独立的参考域，参考域在流场计算中始终与网格保持重合，材料域和空间域之间的映射关系表达为：
[0034]x＝φ(X,t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0035]其中X为t时刻的空间域坐标，x为对应的t时刻的材料域坐标；
[0036]参考域与空间域的映射关系为：
[0037][0038]其中χ为t时刻的参考域坐标，为ALE方法中参考域坐标系与材料域坐标系之间的映射关系函数；
[0039]在欧拉描述中，流体的连续性方程如下：
[0040][0041]其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于索膜结构的翼伞雀降过程建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤1，建立翼伞结构全尺寸几何模型；步骤2，对翼伞结构全尺寸几何模型进行网格划分，得到翼伞结构网格模型；步骤3，建立翼伞结构的动力学控制方程，赋予所述网格单元属性，其中，对翼伞结构全尺寸几何模型中伞衣部分选用薄膜单元，伞绳部分选用索单元，并采用罚函数法处理薄膜单元与索单元之间的接触碰撞问题；步骤4，建立翼伞操纵绳双侧下拉动力学模型；步骤5，建立流固耦合模型以及操纵绳下拉动力学耦合模型，进行翼伞雀降运动流固耦合仿真计算。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述翼伞结构的动力学控制方程为：其中，ρ
s
为翼伞结构的材料密度，σ
s
为柯氏应力张量，f
s
为作用在翼伞结构的外部力，u为翼伞结构质点的速度矢量，t为计算时间，为偏微分运算符号。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述薄膜单元的本构方程为：3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述薄膜单元的本构方程为：3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述薄膜单元的本构方程为：其中，ε1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向应变，σ1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向应力，θ1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向泊松比，E1为翼伞伞衣结构薄膜单元的纵向弹性模量，ε2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向应变，σ2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向应力，θ2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向泊松比，E2为翼伞伞衣结构薄膜单元的横向弹性模量，ε
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的切向应变，τ
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的切应力，G
12
为翼伞伞衣结构薄膜单元的剪切模量，α为翼伞伞衣结构薄膜单元的非线性系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述索单元的本构方程为：其中，ε为翼伞伞绳索单元的纵向应变，σ为翼伞伞绳索单元的纵向应力，E为翼伞伞绳索单元的纵向弹性模量。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述采用罚函数法处理薄膜单元与索单元之间的接触碰撞问题，具体包括：在每一个时间步长开始时，检查每一个从节点，如果从节点没有穿透主面，则不作任何处理；如果从节点穿透主面，则在从节点与主面之间增加一个接触力；
将计算时间t进行离散化处理，得到流固耦合仿真计算时间步长Δt，时间步长计算公式为：Δt≤Δtcr，Δtcr为收敛计算的临界时间步长，其中其中m为网格单元质量，k为网格单元等效刚度系数；所述接触力的大小与从节点穿透的距离、主面的刚度成正比；通过减小时间步长降低接触力F
s
的振荡程度；接触力Fs计算公式为：其中k
l
为由材料属性决定的接触刚度，C为阻尼系数，d为接触位移；接触位移d由结构节点与流场节点间相对速度进行计算：d
t0+Δt
＝d
t0
+(v
s
‑
v
f
)
·
Δt，其中d
t0+Δt
为下一时间步的接触位移，v
s
与v
f
分别为结构节点的速度矢量和流场节点的速度矢量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4包括：采用置大数法对操纵绳下拉点引入位移边界条件，进行位移边界约束处理：设定给定节点的位移u
i
为单元节点位移，为给定单元节点位移，在u
i
所在行中，将结构刚度矩阵的主对角元素k
ij
置入大数Z，同时将对应行的载荷项p
i
用代替，从而得到翼伞操纵绳双侧下拉动力学模型。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5中，采用ALE任意拉格朗日
‑
欧拉法和径向基函数插值法建立流固耦合模型求解耦合界面节点位移，具体包括：在拉格朗日描述的材料域以及欧拉描述的空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄及水，张红英，吴琼，刘东宇，陈杰，童明波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：