基于ALE的降落伞充气过程数值仿真

Ｋｅ ｒ ｓ ｅ ｏ ｙ ａ ｉ ｄ ｃ ｌｒ ｔｒ ｐ ｎ ｎ ｒ ｃ ｓ ； ｒ ｉｒｒ ｇ ａ ｇ ｌｒｍｅｈ ｄ （ ｙ ｗｏ ｄ ：ａ ｒ ｄ ｎ ｍ ｃ ｅ ｅｅ ａｏ ；ｏ ｅ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｂｔａ ｙＬａ ｒ ｎ ｅＥｕｅ ｔ ｏ ＡＬＥＭ ） ｎ ｉ ；ｉｆ —
ｎｔ ａ ｓ ｉｅ ｍ ｓ
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 。 国 内降落 而
伞设计 主要 基 于经验 和半 经 验公式 ， 需要 通过 大量
的实 物试 验来验 证 ， 是这 种方式 不仅耗 费 大量人 但
第 ４ 卷第 ３ ４ 期
２１ ０ ２年 ６月
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇＵ ｎｉ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ｎａ ｔｃ Ｌ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｎｉ ｖｅ ｓ ｔ ｆ Ａｅ ｏ ｕ ｉｓ ８ ｒ ｎ ｕ ｉ ｏ ｎ Ａｓ ｃ
耦合 点 距离 ｄ计 算 界 面力 Ｆ （ 一是・ ， 中 ｋ为 ｄ其
维 降落伞 开伞 过程 ， 与试 验 结果 进 行 了对 比， 并
获 得 了成功 ；０ ９年 ， ｅｋｎ等人 采用 浸 入边 界法 ２０ Ｐ ｓｉ （ｍｍｅｓｄ ｂ ｕ ｄ ｒ ｔｏ ，Ｉ Ｍ ） 算 了 三维 Ｉ ｒｅ ｏ ｎ ａｙ ｍｅｈ ｄ Ｂ 计 模 型 伞 开 伞 情况 ， 无 法 获 得 伞 衣 应 力 应 变 等 情 但 况 ；０ ２年 ， ａ ｉ ｗａ等人用 稳 定空 域流 固耦 合 ２１ Ｔ ｋｚ ａ 法计 算 了降落 伞稳 降时 的结构 和 流场情 况 ， 但没 有
度 为 ４ ２ｋ ｍ～， 衣 弹性 模 量为 ４ ３ ０ Ｐ ， ６ ｇ・ 伞 ． ×１ ａ
密 度 为 ５ ３ｋ ｍ＿ ， 松 比 ０ １ 。 ３ ｇ・ 。泊 ． ４
计 算 完整 的 开伞 过程 ［ａ 。 目前 ， 内对 开伞 过 程 ９０ ］ 国
研究 大 多停 留在二 维水平 ， 维研 究还 处 于摸索 阶 三
一
力 物力 ， 重要 的是 延长 了研 制 周期 ， 利 于 发现 更 不
降 落伞 的工作 机理 ， 于是会 出现设 计 、 验成 功 ， 试 实 际运 用失 效 ， 试验 又成功 的现 象 。而数值 模拟 方 再 法 以其 经济性 、 活性等 特点在 降落 伞开伞 研究 中 灵
开始 得 到应用 。
段 ［ 开伞 过 程 中的 三 维 流 场 动 态 分 布 还 是 一 片 】 ¨，
空 白， 耦合 模 型 也没 有 考虑 织 物 的应 力 和应 变 ， 无
法 反 映织物 充气 时的力 学性 能 。 此 ， 用 流 场一 因 采 结
构 动力 学耦合 模 型 ， 面得 到开伞 过程 的 三维 动态 全
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ． １４ ３
Ｊ ｎ ２ １ ｕ ． ０２
基 于 ＡＬ 的 降落 伞 充气 过 程数 值 仿 真 Ｅ
程 涵 余 莉 李 胜全
（ ． 京航空航天大学航空宇航学院 ， １南 南京 ， １０ ６ ２ 中国航 空研究 院 ６ ９ ， ２ ０ １ ；． ０ 所 南京 ， １ １２ ２１０）
ａ ｔ ｒ ｃ ｎｇ ｆｃ ｎ ｐｙ ａ Ｏ ｏｎ ａ ｅｏｂ ａ ｎ ｄ．Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ，ｔ ｐ ｎｉ ｇ ｐ ｏｃ ｓ ｅ ｒ ｈ ｍｅ ｅ ｈａ ｅ ｏ ａ ｏ ｎｄ Ｓ ｒ ｔ ｉ ｅ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｔ ｓ ｈｅ ｏ ｅ ｎ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｅ ｔ ｅ
Ｃｈｅ ｇ ａｎ ｎ Ｈ ，Ｙｕ Ｌｉ ，ＬｉＳｈｅ ｇｑ ａｎ ｎ ｕ 。
Байду номын сангаас
（ ．Ｃ ｌ ｇ ｆＡｅｏ ｐ ｃ ｇｎ ｅｉｇ，Ｎａ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＡｅｏ ａ ｔ ｓ＆ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ １ ｏｌ ｅｏ ｒ ｓ ａ ｅＥｎ ｉｅ ｒｎ ｅ ｎｉ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ｎ ｕ ｉ ｎ ｙ ｃ ｔｏ ａ ｔ ，Ｎａ ｊ ｇ，２ ０ １ ，Ｃｈｎ ； ｃ ｎｉ ｎ １０ ６ ｉａ ２ ．Ｒｅ ｅｒ ｈ ｉｓｉ ｔ ． ０ ，Ｃｈｎ ｓ ｒ ｎ ｕ ｉａ ｔｂ ｉｈ ｎ ，Ｎａ ｉ ｇ，２ １ ０ ，Ｃｈｎ ） ｓａ ｃ ｎ ｔｔ ｅＮｏ ６ ９ ｕ ｉｅ ｅＡｅ ｏ ａ ｔ ｌ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｃ Ｅｓ ｓ ｎｉ ｎ １１２ ｉａ
ｓ ｍｅ ｎ ｈ ｈ ｎ ｍｅ ａ ｆ ｔ ｐ ｓｎ ｎ ａ ｏ ｙ ｓ ａ ｅ ａ ｅ ｏ ｓ ｒ ｅ ．Ｆｉ ａ ｌ ａ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｎ ｓ ｏ ｏ ｉ ｋ ａ ｄ ｃ ｎ ｐ ｈ ｋ ｒ ｂ ｅ ｖ ｄ ｎ ｌ ｙ，ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｍｅ ｈ — ｈ ｃ ａ ｉ ａ ｃ ａ
降 落伞折 叠展 开表象 上简单 ， 是其力 学机 理 但 极 为 复杂 ， 一个 典 型 的流 固耦 合 、 非线 性 时变 是 强
系统 ： 柔性 织 物 在 内、 流 场 的作 用下 发 生 急剧 大 外 变形 ， 是 一个几 何非 线性 与材料非 线性并 存 的瞬 这
基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 （ １ ７ １７ 资 助 项 目 。 １１ ２ ３ ）
摘 要 ： 用 任 意拉 格 朗 日一 拉 法 （ ｂ ｔ ｒ ａ ｒ ｎ ｅＥ ｌ ｔ ｏ ，Ａ Ｅ ） 固耦 合 方 法 模 拟 某模 型 伞 在 低 采 欧 Ａｒ ｉ ａ ｙ Ｌ ｇ ａ ｇ ｕｅ ｍｅｈ ｄ Ｌ Ｍ 流 ｒ ｒ
速 气 流 作 用 下 充 气展 开 过 程 。计 算 获 得 了充 气 过 程 中伞 衣 应 力 、 场 速 度 矢 量 、 力 以及 伞 衣 半 径 变化 等 结 果 。 流 压 与 试 验 对 比 ， 伞 过 程相 同， 开 同样 出现 了伞 衣 顶 部 塌 陷、 动 等 现 象 。通 过 对 数 值 结 果 的 分 析 解 释 了伞 衣 抖 动 以 抖 及 风 洞 试 验 中伞底 拍动 产 生 巨 大噪 声 的原 因 ， 时预 测 开伞 过 程 中 的危 险截 面 。 同
结构相 互作 用机 理来研 究 降落伞 的充气 过程 。 具有 代表性 的工作有 ： ｕ ｖｓ 用简化 的伞衣 结构模 型 Ｐ ｒｉ 利 和伞衣 内部 流体 运动模 型 ［ ， 步实 现 了形状 和伞 ３初 ］ 衣 内部流 场的二 维耦合 计算 ， 然而 这种模 型 较为粗
糙 ， 阻 尼 系 数 较 为 敏 感 ； ９ ３年 ， ｔｉ Ｂ ｎ ｅ 对 １９ Ｓｅ ｎ， ｅ ｎ ｙ
第 ３期
程
涵 ， ： 于 ＡＬ 的 降 落 伞 充 气 过 程 数 值 仿 真 等 基 Ｅ
“
＝
２１ ９
・（ ｔ ＦＩ） ＋ ｎ ｔ
结 构 特 性 的 影 响 ， 未 和 试 验 进 行 对 比； ０ ５年 且 ２０ 起 ， ｕ ｔ等 人 采 用 任 意 拉 格 朗 日一 拉 法 （ ｂ— Ｔｔ 欧 Ａｒ ｉ
ｔｏ ｆ ａ ｇ ｒ ｕ ｅ ｔ ｎ ｄ ｒｎ ｐ ｎ ｎ ｒ ｉ ｅ ｙ ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｂ ｓ ｄ ｏ ｕ ｒ ａ ｅ ｕ ｔ ． ｉ ｎ ｏ ｎ ｅ ｏ ｓｓ ｃ ｉ ｕ ｉ ｇ ｏ ｅ ｉ ｇ ａ ｅ ｇ ｖ ｎ ｂ ｈ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｅ ｎ ｎ ｍｅ ｉ ｌ ｓ ｌｓ ｄ ｏ ｃ ｒ
计算 时 ， 假设 伞绳 、 伞衣 完全 拉直 ， 视 伞衣 呈 俯
杨桃状 ； 伞绳连接 点 固定 ， 系统为无 限质 量充气 情 伞 况 。 场入 口为速 度人 口边界 ， 流 其余 流场边界采 用无 反射 出流模 拟 ， 流速度 为 ３ ・ ＿ ； 个仿 真模 来 ０ｍ ｓ 。 整 型 在划 分 网格 时采 用 Ｂ 壳单 元划 分伞 衣 ， Ｔ 绳索 单
收 稿 日期 ：０ １０ —５ 修 订 日期 ：０ ２０ —０ ２ １ —７１ ； ２ １— １３
等 人 提 出了 降 落 伞 Ｃ Ｄ 和质 点 弹 性 阻 尼 （ ｓ— Ｆ Ｍａｓ ｓ ｒ ｇｄ ｍｐ ｒ ｐ ｉ －ａ ｅ ，ＭＳ 的耦 合 模 型［ ］ 忽 略 织 物 ｎ Ｄ） ４，
通 讯 作 者 ： 莉 ， ， 授 ， 士 生 导 师 ，９ ９ 出生 ，— ｉ ｙ ｌ ｈ ｐ ｙ １ ３ｃｒ。 余 女 教 博 １６ 年 Ｅ ｍａ ：ｕｉ ａｐ ＠ ６ ．ｏ ｌ — ｎ
刚度 系数 ）将 作 为外 部力 ，
１ ２ 仿 真 模 型 ．
的一部 分 ， 对耦合
区域 的速度 、 位移 进行 调整 ， 从而 实现耦 合 。 本 文 的计 算 模 型 为无 任 何透 气 量 的平 面 圆形 伞 ： 衣 幅数 为 ８块 ， 绳 长 ７ ０ｍｍ， 衣 总面 积 伞 伞 ５ 伞 为 Ａ一０ ７ ， 绳 弹性模 量 为 ９ ７ Ｏ ａ 密 ． ８ｍ 伞 ． ×１ Ｐ ，
ｔａｙＬ ｇａ ｇ ｕｅ ｔｏ ｒｒ ａ ｒｎ ｅＥ ｌ ｍｅｈ ｄ，ＡＬ Ｍ ） 拟 了 三 ｒ Ｅ 模
一 一 ／ ＋ △￡・
＋
Ａｔ ／ ｕ“
式 中 ： －为 内力矢 量 ， 为外 力矢 量 ， Ｆｎ ｔ 它们 与 体力 和边 界条 件相 关 联 ； 为质量 对角 矩阵 。 Ｍ 本文 采用 罚 函数进 行结 构与 流场 的耦合 ， 根据
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｅ ｐａ ａ ｈ ｅ ｏ ｎｉ ｇ ｐｒ ｃ ｓ ｎ ｌ ｗ－ ｐ ｅ ｉｆｏ ｉ ｉ ｓｒ ｃ ： ｒ ｃ ｕｔ ｐｅ ｎ ｏ ｅ ｓ ｉ ｏ ｓ ｅ ｄ ａｒ ｌ ｗ ｓ ｓｍｕｌ ｔ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ＬＥ ｔ ｄ． Ｔｈｅ ａｅ ａ ｅ ｎ Ａ ｍｅ ｈｏ
间大变形 结构 动力学 问题 ； 而伞 衣 内外 流 场也十分 复 杂 ， 衣 内部 为 显 著 的湍 流状 态 ， 部存 在 严 重 伞 外 的分离 现象［ ］ 在 国外 ， １。 一些著 名 的流 固耦合领 域
的权威 都 用 降落 伞工 作 过程 计 算来 验 证 其数 值 模 型 的可靠 性 和准确 性 ， 降落伞 工作机 理之 复杂 可见 斑 。 国外早 在 ２ 纪 ８ ０世 Ｏ年代 就 开始 采用气 动一
ｎ ｍ ｅ ｉ ａ ｅ ｕ ｔ ｆｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｔ ｅ ｓ ｈ ｅ ｏ ｉ ｅ ｔ ｒ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ｃ ｎ ｏ ｒ ｏ ｌ ｗ ｉ ｌ ｔ ｅ ｄ — ｕ ｒｃ ｌ ｓ ｌｓ ｏ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ ｒ ｓ ，ｔ ｅｖ ｌ ｃ ｔ ｖ ｃ ｏ ，ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｔ ｕ ｆｆ ｒ ｓ ｙ ｏ ｆ ｄ， ｈ ｉ ｅ
关键词 ： 气动 减 速 器 ； 开伞 过 程 ； 意拉 格 朗 日一 任 欧拉 法 ； 限质 量 无
中图分类号 ： ４．１ Ｖ２ ４２
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ５２ １ （０ ２ ０— ２ ００ １０ —６ ５ ２ １ ） ３０ ９ —４
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｃ ｕｔ ｎｆ ａ ｉ ｎ Ｐｒ ｃ ｓ ｓ ｄ ｏ ｍ ｒ ｃ ｌＳ ｍ ｌ ｔｏ ｆ Ｐａ ａ ｈ ｅ Ｉ ｌ ｔｏ ｏ ｅ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ＡＬＥ
ｎｉｍ ｘ ａ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｐ ｈａ ｎｄ ｔ ｇ ｉｅ ｃ ｕｓ ｄ ｂｙ ｃ ｎｏ ｙ ｆａ ｉ ｇ ｉ ｅ ｔ ｓ ｅ ｐｌ ｎ ｔｏ ｆｃ ｎｏ ｙ ｓ ｋｅａ ｈｅ ｈｕ ｅ ｎｏ ｓ ａ ｅ ａ ｐ ｌ ｐｐ ｎ ｎ ｔ ｓ ｓ，ａ ｄ ｔ ｅ ｐｒ ｄ ｃ ｎ ｈ ｅ ｉ—