物傘流固耦合及多體系統(tǒng)動力學研究.pdf

1、物傘系統(tǒng)是降落傘減速回收技術(shù)中的主要研究對象，隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，各類新型的減速任務(wù)對物傘系統(tǒng)的功能性和適用性提出了更高的要求。典型的物傘系統(tǒng)工作過程需要經(jīng)歷自由飛行、拉直、充氣、穩(wěn)定下落和著陸等多個階段，其中充氣過程最為復(fù)雜，是典型的非線性流固耦合問題。除此之外，物傘多體系統(tǒng)飛行過程的動力學特性也會受到降落傘氣動力和結(jié)構(gòu)變形的顯著影響。因此從多學科耦合的角度開展物傘系統(tǒng)動力學仿真和試驗研究是深入了解降落傘工作過程的關(guān)鍵。本文對

2、物傘系統(tǒng)工作過程的流固耦合問題和多體系統(tǒng)動力學問題進行了數(shù)值仿真和試驗研究，取得了相應(yīng)的研究成果。
　?。?）研究了基于任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）方法的流固耦合技術(shù)。闡述了復(fù)雜降落傘結(jié)構(gòu)特點并給出了用于降落傘充氣仿真的初始折疊模型參數(shù)化建模技術(shù)，建立了降落傘柔性織物結(jié)構(gòu)和周圍低速不可壓縮流場的控制方程，基于ALE描述對控制方程進行離散，引入網(wǎng)格平滑技術(shù)控制傘衣結(jié)構(gòu)單元變

3、形過大的問題，采用基于接觸碰撞技術(shù)的罰函數(shù)耦合方法對降落傘結(jié)構(gòu)節(jié)點和流體單元進行約束，實現(xiàn)了降落傘充氣過程的流固耦合計算。
　?。?）針對低速空投任務(wù)中的降落傘有限質(zhì)量充氣問題進行了數(shù)值仿真研究。應(yīng)用ALE流固耦合技術(shù)，引入了ALE動網(wǎng)格運動策略，建立了復(fù)雜開縫救生傘的有限元模型，數(shù)值模擬充氣下落過程傘衣外形變化，對比試驗結(jié)果分析降落傘充氣性能，研究傘衣周圍流場衍變機理和流固耦合特性，得到傘衣織物結(jié)構(gòu)動力學響應(yīng)規(guī)律，仿真結(jié)果為降落

4、傘設(shè)計和傘型開發(fā)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有較強的工程應(yīng)用性。
　?。?）結(jié)合風洞試驗數(shù)據(jù)，研究了火星降落傘超聲速充氣過程動力學特性。基于時空守恒元解元（Conservation Element and Solution Element，CE/SE）方法和結(jié)構(gòu)力學求解方法（Mechanical Solver）建立了流固耦合平臺，采用較為成熟的火星科學試驗計劃（Mars Science Laboratory，MSL）的盤縫帶傘-探測

5、器全尺寸模型和縮比尺寸模型，在流固耦合平臺下進行無限質(zhì)量充氣過程的仿真計算，對應(yīng)風洞試驗工況下的盤縫帶傘充氣性能，將仿真結(jié)果與 NASA試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，得到了盤縫帶傘傘衣外形變化規(guī)律和充氣性能參數(shù)，分析了火星降落傘的減速阻力特性，結(jié)合試驗圖像研究了前置體對傘衣周圍流場特性和激波分布的影響，仿真結(jié)果驗證了耦合平臺對超聲速降落傘流固耦合問題的適用性。
　?。?）基于物傘系統(tǒng)多體動力學理論預(yù)測了開傘過載對乘員的損傷概率。建立了空投

6、任務(wù)中救生傘和乘員載荷的動力學模型。應(yīng)用有限質(zhì)量充氣的ALE流固耦合方法仿真了不同開傘工況下的開傘過載和吊帶張力曲線，背帶約束系統(tǒng)和軀干假人模型，對不同高度速度條件下救生傘的開傘動載及乘員損傷概率進行仿真評估，分析救生傘開傘沖擊對人體的影響，總結(jié)了人體損傷指標，對身體各部位開傘過載沖擊作用下的耐受限值進行評估。
　?。?）研究了火星探測任務(wù)中物傘多體系統(tǒng)的動力學相似性準則和縮比試驗。首先確定相關(guān)無量綱參數(shù)，推導動力學相似定律，確定

7、地球和火星飛行試驗系統(tǒng)的相似性縮放比例并指導地面試驗設(shè)計，利用飛艇空投平臺開展物傘系統(tǒng)縮比試驗，獲取降落傘和系統(tǒng)彈道參數(shù)，結(jié)合降落傘穩(wěn)定下落過程動力學模型和小擾動理論對物傘系統(tǒng)進行飛行力學仿真和穩(wěn)定性分析，對比結(jié)果驗證了物傘縮比試驗系統(tǒng)的適用性和動力學模型的有效性。
　?。?）對火星探測的進入、減速和著陸（Entry，Descet and Landing, EDL）全過程的飛行彈道進行了集成仿真。分別建立了盤縫帶傘-著陸器系統(tǒng)的進

8、入段、拉直、充氣和減速著陸段的動力學模型，基于自適應(yīng)開傘控制方法獲取開傘點參數(shù)，并對進入和減速過程的全彈道進行關(guān)聯(lián)性研究和仿真。最后基于面向?qū)ο笤O(shè)計語言，集成各階段動力學模塊，建立多學科集成仿真框架，對降落傘和著陸器的EDL全過程彈道和開傘過程動力學進行三維視景顯示，便于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。
　　本文圍繞物傘系統(tǒng)減速工作過程的相關(guān)耦合動力學問題，研究了物傘系統(tǒng)的流固耦合方法、多體動力學方法和多學科集成仿真技術(shù)，并應(yīng)用于降落傘空投救生、火