基于LS_DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究

0 引言
降落伞系统作为一种高效、可靠的回收装 置，在我国载人飞船、返回式卫星的回收着陆以 及美国火星探测器的着陆等过程中，都得到了广 泛的应用。充气是降落伞整个工作过程中最为复 杂的一个阶段，也是研究人员迫切地想通过理论 分析来解释的[1-2]。目前，对于降落伞充气性能 （除最大开伞动载外）的了解或掌握主要是通过 一些试验结果的统计分析来获取的，充气性能与 开伞条件之间的关系也是通过试验结果统计、拟 合出来的[3]。这使得充气时间、伞衣投影面积变 化的一些经验公式存在着一定的局限性，只能在
运用 LS-DYNA 的前处理软件建立流场几何模
的控制关键字为*SECTION_SHELL。伞衣材料属 型如图 5(b)所示，流体速度为 80 m/s。
性由*MAT_FABRIC 关键字来定义。伞绳为离散的
2）材料参数的选择
梁/索单元（*ELEMENT_BEAM），单元算法的控
流场仿真模型的流体定义为理想气体，满足理想
流场仿真模型的流场入口单元区域用
*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET 来施 加对单元的强制运动，使得流体压力入口单元获得 恒定的速度。
5）求解文件的生成 流场仿真模型建立完成，最后生成 LS-DYNA 软件可以求解的文件格式，记为 K 文件（fluid.k）。
4 LS-DYNA 流固耦合控制参数
3.1 降落伞仿真模型的建立
3.1.1 基本假设 对降落伞仿真模型作如下假设：
1）仿真充气过程前模型为轴对称的结构；
2）模型的初始形状为有一定的进气孔尺寸， 截面为梅花形状的模型；
3）模型只考虑伞绳的连接，对于伞衣径向带、
顶孔绳等不作具体处理。
3.1.2 基本参数设置
1）降落伞几何模型
降落伞仿真模型选用美国的经典伞型—C-9 平 面圆形伞，如图 4(a)所示，具体结构参数如表 1 所示。
第3期
贾 贺等：基于 LS-DYNA 软件的降落伞充气过程仿真研究
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伞绳的横截面为圆形，面积为 4.91×10-6 m2。
3）网格的划分 LS-DYNA 的前处理软件用于对降落伞仿真模
型进行有限单元的网格划分。伞衣单元选用薄壳单 元，伞绳单元选用离散的梁/索单元，得到降落伞 的有限元模型如图 4(c)所示。
同样，在 LS-DYNA 前处理软件中对流场的几 何模型进行有限单元的网格划分。根据有限元网格
5）求解文件的生成 降落伞仿真模型建立完成，生成 LS-DYNA 软
划分的基本原则，流场的有限元模型如图 5(c)所 示。
件可以求解的文件格式，记为 K 文件(parachute.k)。
3.2 流场仿真模型的建立
积变化的规律，验证了使用 LS-DYNA 软件数值模拟降落伞充气过程的可行性，提出了一种新的数值模拟降落
伞充气过程的分析方法。
关键词：降落伞；充气过程；流固耦合；数值仿真；有限元方法
中图分类号：V525；TB115
文献标识码：A
文章编号：1673-1379(2010)03-0367-07
DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.021
(a) 结构示意图
(b) 几何模型
图 4 降落伞模型 Fig. 4 Parachute model
(c) 有限元模型
4）K 文件的参数设置 降落伞仿真模型的伞衣单元为薄壳单元 （*ELEMENT_SHELL_THICKNESS），单元算法
流场前端面距伞绳汇交点的长度 Lq=6 m；未充气流 场后端面距伞衣顶端的长度 Lh=12 m。
该文件是由一系列的关键字组成的[15]。LS-DYNA 求解流固耦合问题，实质上就是对流固耦合控制关 键字进行参数设置的过程。
但是，降落伞充气过程与一般的流固耦合问 题不完全相同，如果按照一般的流固耦合问题处 理，仅仅设置一般问题的基本控制关键字来仿充 气过程，可以发现伞衣没有完全充开，最终的充 气形状也很不理想，如图 6 所示。可见，使用 LS-DYNA 对充气过程进行仿真时，不能仅仅采用 一般问题的解决方法和思路，必须选择适合充气 过程的控制关键字，并对关键字进行参数值的优 化处理。
LS-DYNA 软件是著名的显式动力分析程序， 具有强大精确的有限元仿真性能，拥有大量不同 种类的单元模型、材料模型和算法选择，能够很 方便地处理各种高度非线性问题。到目前为止， 它是对降落伞充气过程进行仿真的最优工具之 一。LS-DYNA 971 是一个主要的程序版本。它增 加了透气性材料的流固耦合算法，这样就可以通 过控制流固耦合过程的各个参数，真实地模拟降 落伞的充气过程。
表 1 C-9 伞结构参数表 Table 1 Structure parameters of C-9 parachute
参数名称
参数值
伞衣名义直径 D0/ m
8.5
伞衣幅数 N
28
伞绳长度 le/ m
9
伞衣顶孔直径 Dv /m
0.85
伞衣幅顶点到底边的高度 hs/ m
4.26
伞衣幅底边长 es/ m
LS-DYNA 与一般的 CAE 辅助分析程序操作 过程相似，LS-DYNA 的一个完整的显式动力分析 过程包括前处理、求解以及后处理 3 个基本操作环 节，如图 2 所示。
分析方案的总体规划 综合考虑结构特点、计算精度以及计算成本
前处理阶段 指定单元类型、实常数， 定义材料模型，建立几何模型， 划分网格形成有限元模型， 定义接触表面，增加载荷与边界条件，
0.96
完整的伞衣和伞绳几何模型如图 4(b)所示。 2）材料参数的选择 降落伞仿真模型的伞衣材料选用美军标的 MIL-C-7020 III 材料，假设该材料为各向同性材料， 密度为 533.77 kg/m3，弹性模量为 0.4309 GPa，泊松 比为 0.14，伞衣厚度为 0.000 1 m。伞绳材料的密度 为 462.00 kg/m3，弹性模量为 97.0 GPa。假设降落伞
制关键字为*SECTION_BEAM。伞绳材料属性由 *MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM 来定义。
Hale Waihona Puke 气体状态方程。气体的密度为 1.18 kg/m3，动态粘度 系数为 1.745 6×10-5，气体的比热容比为γ =1.4。
伞绳汇交点采用关键字*BOUNDARY_
3）网格的划分
SPC_NODE 来进行约束，即对汇交点的 3 个方向 平动自由度进行约束。
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航天器环境工程
第 27 卷
降落伞的充气性能主要由临界开伞速度、伞衣 充满条件、充气时间、充气距离、伞衣投影面积变 化和最大开伞动载等参数来描述和表征[1, 3]。本文 基于 LS-DYNA 软件对降落伞的充气时间和伞衣投 影面积变化的数值模拟分析，来研究降落伞的充气 过程。
2 LS-DYNA 的流固耦合算法
约束方法是罚函数耦合约束。对于罚函数约束而 言，其原理是耦合系数追踪 Lagrange 节点（结构， 即从物质）和 Euler 流体物质（主物质）位置间的 相对位移 d，如图 3 所示[11]。
图 3 罚函数耦合算法 Fig. 3 Penalty function coupled method
3 LS-DYNA 仿真模型的建立
LS-DYNA 软件是一种比较理想的显式求解工 具，通过它的前处理器，生成一个可以递交给 LS-DYNA 的文件，称之为关键字文件或 K 文件，
图 6 基本控制参数下的伞衣最终充气形状 Fig. 6 Final canopy shape with basic control parameters
通过大量的研究分析，得到在仿真降落伞充 气过程中，主要的流固耦合过程控制关键字及最 优化的控制参数值，其中主要的控制关键字如表 2 所示[16]。可见，选择适合降落伞充气过程的控 制关键字及设置最优化的参数值是仿真充气过 程的重点和难点，对仿真过程的实现起着决定性 作用。
数值仿真来获取研究降落伞充气过程性能的主要 参数，已经被提上了降落伞理论研究和工程实践的 日程。
进入 21 世纪以来，应用 LS-DYNA 有限元分 析软件来分析降落伞的工作过程（充气阶段、稳定 阶段等）成为一个热点。国外在这方面做了大量的 工作，但是对降落伞充气过程的仿真还不能完全地 解决[5-8]。国内使用 LS-DYNA 软件对降落伞充气 过程仿真研究尚属空白。本文基于 LS-DYNA 软件 对数值模拟降落伞充气过程的方法进行了初步研 究。
第 27 卷第 3 期
航天器环境工程
2010 年 6 月
SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING
367
基于 LS-DYNA 软件的降落伞充气过程仿真研究
贾 贺，荣 伟，陈国良
（北京空间机电研究所， 北京 100076）
摘要：文章基于 LS-DYNA 软件对降落伞的充气过程进行了数值模拟，得到了降落伞的充气时间和投影面
1 降落伞的充气过程
某些情况下适用。 随着“嫦娥一号”的成功发射，我国对于火
降落伞的充气过程是指从伞系统全长地拉直 到伞衣第一次充满（伞衣投影直径第一次能达到稳
星探测的研究即将进入实质阶段。火星大气层的 成分、物理性质与地球的大气层存在着较大的差
定下降所需的伞衣投影直径，不考虑过度充气）为 止的整个工作过程[1-2]，如图 1 所示。
3.2.1 基本假设 对流场仿真模型作如下假设： 1）流场模型模拟的为不可压缩流场，符合 N-S
方程； 2）流场模型中流体的速度方向恒定，且速度
大小不变； 3）流场模型外表面的边界约束条件与风洞壁
性质一致。 3.2.2 基本参数设置
1）流场几何模型 流场仿真模型形状选用圆柱形流场，如图 5(a) 所示。综合文献[12−14]，其基本的几何尺寸确定 如下：流场半径 Df=12 m；流场长度 Lf=31 m；