基于有限元分析的重型装备空投系统匹配和评估

基于有限元分析的重型装备空投系统匹配和评估
王红岩;郝贵祥;洪煌杰;李建阳;牛四波
【摘要】针对采用实装试验研究空投装备着陆缓冲过程的方法难以得到有效结果的问题,采用非线性有限元分析方法,结合气体热力学理论,建立重型装备空投系统解析模型和非线性有限元模型,结合试验数据验证模型的有效性和精度.在分析重型装备空投着陆缓冲过程的响应特性基础上,采用拉丁超立方试验设计方法和移动最小二乘法构建响应面模型,结合环境条件的统计规律研究空投系统的匹配和评估方法.分析高海拔条件下空投过程中存在的问题,给出其发生机理并提出解决方案.
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2012(021)003
【总页数】6页(P5-9,16)
【关键词】重型装备;空投系统;缓冲气囊;高海拔空投;非线性有限元;最小二乘法【作者】王红岩;郝贵祥;洪煌杰;李建阳;牛四波
【作者单位】装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072
【正文语种】中文
【中图分类】TJ811;TB115.1
0 引言
重型装备在空投出舱后主要依赖伞降系统将装备的空降速度和降落姿态控制在一定范围内;落地缓冲系统一般采用自充气式气囊进一步降低装备的下降速度，减缓落地冲击.无货台式空投系统将伞降系统和缓冲气囊直接安装在空投装备上，具有结构简单、使用方便、缓冲效果好和成本低等优点.［1］
目前，国内外通常采用热力学方法、有限元法和试验方法等3种方法研究缓冲气囊.热力学方法依据气体热力学理论对缓冲气囊压缩过程进行简化并建立相应的理论模型，从而计算得到缓冲气囊压缩过程中各参数的变化规律［2-3］.虽然该方法简便，但无法准确计算缓冲气囊变形.有限元法以热力学方法为基础，对缓冲气囊外壁和内部气体建立完整的模型，模型可适应特殊形状的缓冲气囊和不同的气囊外壁材料，也可设置各种不同的气囊工作条件.该方法可以精确计算不同时刻缓冲气囊的变形以及由变形引起的囊内气体参数的变化，计算结果精度较高，但建模复杂.试验方法的优点是结果可靠，通常用于检验计算结果的准确性.重型装备空投采用的缓冲气囊系统复杂，落地缓冲状态多变，且冲击过程对装备具有一定的破坏性，若采用试验方法不但费用高昂，而且试验工况也难以控制.
国内的研制和使用单位一般只从满足战技指标的角度进行考核，对于无货台式空投系统的环境适应性和系统匹配方法等研究较少.本文采用系统仿真的方法，在伞降系统和缓冲气囊模型的基础上，研究重型装备空投系统的匹配设计和评估方法，并以高海拔地区的空投过程为例，提出装备安全空投的解决方案.
1 缓冲气囊模型和验证
1.1 解析计算和匹配
热力学方法通过研究气囊在压缩过程中内部气体参数的变化来研究其对装备产生的缓冲作用.基于热力学方法［2-3］，利用 MATLAB/Simulink建立无货台空投系统气囊缓冲过程解析模型.综合考虑实际缓冲过程中气囊的压缩行程和排气口面积的变化，从而更有效地模拟该型缓冲气囊的实际工作特性.在热力学解析计算的基
础上，开发与无货台式空投系统的缓冲气囊相匹配的辅助设计软件，可输出气囊内压、载荷高度和载荷冲击加速度等数据，并可根据缓冲气囊和载荷情况给出合理的匹配设计参数.该软件的输出结果可为建立缓冲气囊的复杂模型提供基础参数. 1.2 有限元模型建立
缓冲气囊模型的建立采用以下基本假设:(1)缓冲气囊内各处内压相差不大，可认为气囊内压均匀;(2)气囊壁导热较差，缓冲气囊内气体与外部空气热传递小，且空投装备着陆缓冲过程时间极短，以致其间热传递极小，因此可认为气囊内的气体理想绝热;(3)气囊壁为织物紧密编织而成，漏气量极小，可认为在着陆缓冲过程中空气仅从排气孔流出，即气囊壁不漏气.
气囊内能量满足能量平衡方程
式中:Eairbag为内能;P为气囊内压;V为气囊容积;Hin为输入的焓;Hout为输出的焓.
气囊内气体满足理想气体状态方程［4］
式中:n为气体物质的量;R为理想气体常数;T为理想气体的热力学温度.
气囊排气孔排气速率
式中:u为排气孔排气速率;γ为比热容比，对于空气，γ =1.4.
根据气体状态方程，压缩时气囊内的空气压力
式中:Py为气囊内压;P0为标准大气压;V0为气囊容积;Vy为压缩过程中气囊的剩余容积;m0为气囊充满时的空气质量;mi为从气囊流出的空气质量.
该型缓冲气囊为自充气式，空投时与装备底部的安装点相连.如图1所示，该系统
由8个独立的气囊单元组成，每个气囊单元包括1个主气囊和1个体积略小的辅气囊，辅气囊附着在主气囊上，并通过内部的气孔与主气囊相通.气囊设有进气口和排气口，进气口设于主气囊底部，系统在下落时气囊自动充气，当气囊与地面接触后进气口封闭，辅气囊在主气囊受压后开始充气;排气口设于辅气囊外侧中部，平时由搭扣贴合，受压后内压克服搭扣的贴合力，排气孔开启并开始泄压，达到缓冲的目的.［5］
图1 缓冲气囊系统结构和有限元模型Fig.1 Structure and finite element model of cushion airbag system
缓冲气囊为由内、外2层织物组成的薄壁结构，内层由透气量小的织物制成，外层由强度较大的织物制成，且具有纵向和横向加强带.内层用于防止和减缓气囊压缩时囊内气体的外泄，保证一定的内压，起到缓冲的作用;外层用于承受内层在气囊压缩时产生的较大内压，避免内层发生爆裂.以缓冲气囊的基本结构和工作原理为基础，结合有限元法和气体热力学理论进行建模，有限元建模流程见图2.
图2 缓冲气囊系统有限元建模流程Fig.2 Procedure of cushion airbag system finite element modelling
1.3 仿真与试验的对比验证
将仿真数据和文献［6］中相关研究给出的装备空投试验数据绘制在同一个坐标系内，可得装备的着陆速度和缓冲加速度曲线，见图3.
图3 装备着陆速度和缓冲加速度曲线Fig.3 Landing velocity and cushioning acceleraion curves of equipment
由图3(b)可知，仿真和试验曲线都有2个峰值，且第1个峰值小于第2个峰值.第1个峰值是在气囊受压过程中，随着装备与气囊接触面积的增大和气囊内压的逐步增大，装备所受的反作用力增大产生的;而第2个峰值则是在气囊排除大部分气体后，装备隔着气囊壁与地面发生碰撞产生的.试验和仿真的气囊缓冲时间分别约为
210 ms和220 ms，装备缓冲加速度最大值分别为6.94g和7.31g.
仿真得到的速度、加速度曲线的变化趋势和曲线特点都与试验曲线符合得较好，与试验数据的误差也在合理范围内，验证仿真模型的正确性和计算方法的精度.
2 缓冲系统的评估和匹配方法
2.1 垂降缓冲过程评估
评估采用显式时间积分法进行计算，采用中心差分的显式格式.该方法不需要进行矩阵分解或求逆，无须求解联立方程组，也不存在收敛性问题.因此，每个增量步的计算量较小，基本与求解对象的规模成正比，计算求解速度快，其稳定性准则能自动控制计算时间步长大小，保证时间积分的精度.［4］
缓冲气囊系统受到空投装备的冲击后，主气囊压力增大并向辅气囊充气;辅气囊中的气量和压力同时增大，在达到排气口开启压力后通过侧面的排气口向大气泄压，冲击能量转化为气体的内能和动能.由仿真过程可知，气囊的缓冲效果较好，装备着陆时无明显“回跳”现象，未发生装备倾覆现象，缓冲加速度指标满足要求，缓冲气囊强度足够，满足使用要求.系统着陆过程、速度和缓冲加速度曲线见图4. 图4 系统着陆过程、速度曲线和缓冲加速度曲线Fig.4 Landing process，velocity curve and cushion acceleraion curve
2.2 匹配方法
对于缓冲气囊系统的匹配问题，采用等效响应面模型方法进行研究:采用拉丁超立方试验设计均匀填充设计空间，采用移动最小二乘法建立描述系统特性的等效响应面模型.结合该模型和遗传算法进行匹配设计的优化匹配和评估流程见图5.
图5 优化匹配和评估流程Fig.5 Procedure of optimization matching and evaluation
3 应用案例
3.1 高海拔地区空投过程分析
在高海拔地区，空气密度和大气压力等条件与平原存在较大差异.对于依靠空气作
为工作物质的缓冲气囊，其工作特性变化较大;同时，降落伞的减速效果也在很大
程度上受空气密度和大气压力等影响，装备的着陆速度相对于平原也有所加大.因此，通过增加降落伞数量进一步降低装备着陆时的速度.另外，在高海拔空投试验
中有时会发生车体倾覆问题，其原因尚不完全明确.基于以上需求，需针对高海拔
条件的气囊缓冲过程进行研究.本文基于气体热力学理论，建立高海拔地区的缓冲
气囊模型，结合空投装备结构模型进行显式有限元分析.
高海拔空投时气囊缓冲过程中各参数的变化情况见图6.
图6 高海拔空投时气囊缓冲过程中各参数变化情况Fig.6 Parameter change in airbag cushioning process of plateau airdrop
在有倾角的条件下高海拔空投倾覆过程见图7.
图7 高海拔空投倾覆过程Fig.7 Overturn process of plateau airdop
由图6和7可知，在高海拔地区空投时缓冲气囊的工作特性与在平原地区同等条
件下的缓冲过程有显著差异，气囊缓冲过程对比结果见表1，可知，加速度曲线峰值、最大反弹速度、剩余动能极值和气囊压力峰值的相对增加量分别为170%，98%，154%和－39%.
表1 高海拔与平原地区气囊缓冲过程对比Tab.1 Airbag cushioning comparison between plateau airdop and plain airdop地形加速度曲线峰值/g最大反弹速
度/(m/s)剩余动能极值/kJ气囊压力峰值/(105Pa)平原14.43 2.087 23.61 1.745
高原39.02 4.132 60.00 1.067
装备在高海拔空投遇到的倾覆问题，可能是由于大气条件(密度和压强等)的影响导致伞降系统和缓冲气囊系统性能大幅下降.在高海拔条件下气囊缓冲效能下降极大，冲击过程对于倾角十分敏感，缓冲中车体承受较大的翻转力矩，极易发生倾覆.
3.2 解决方案
(1)可通过增加降落伞的数量降低装备的着陆速度.通过伞降系统效能计算，7具伞可将速度降为6.69 m/s，8 具伞可将速度降为 6.26 m/s.对该方案进行验证，缓冲过程未发生倾覆(见图8).
图8 增加伞具数量后高海拔空投着陆稳定性验证Fig.8 Stablity verification for plateau airdrop after adding parachutes
(2)可通过选择在较为平坦的着陆场和风速较小的气象条件下空投，减小倾覆发生的概率.
4 结论
对于重型装备空投系统，通过多工况下的仿真研究，可得以下结论:
(1)气囊系统缓冲效果好，可起到吸收装备冲击动能的作用，气囊结构本身强度足够，即使在极限工作状态下仍能稳定工作.
(2)在缓冲过程中的冲击加速度存在2个峰值，分别由装备与缓冲气囊系统的相互作用和装备与地面的冲击产生.对于多工况下的装备缓冲过程，随着正常工作气囊数量的减少或降落初速的增大，缓冲时间明显减少，冲击加速度最大值增大. (3)在高海拔条件下缓冲气囊系统的工作特性相对于平原地区有着显著差异，其原因可能是大气条件(密度和压强等)的变化，因此，在设计和使用时要充分考虑.
采用有限元法研究重型装备空投系统气囊缓冲过程的方法能降低成本、提高效率，并保证一定的结果精度.计算结果对缓冲气囊系统参数优化和重型装备空投系统的匹配设计具有一定的参考价值.
(本文获第7届中国CAE工程分析技术年会优秀论文奖.)
参考文献:
【相关文献】
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