物傘流固耦合及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(gè)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(dòng)力學(xué)特性也會(huì)受到降落傘氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)變形的顯著影響。因此從多學(xué)科耦合的角度開展物傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真和試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，取得了相應(yīng)的研究成果。
　　（1）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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)和流體單元進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)了降落傘充氣過程的流固耦合計(jì)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(jìn)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(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果分析降落傘充氣性能，研究傘衣周圍流場衍變機(jī)理和流固耦合特性，得到傘衣織物結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，仿真結(jié)果為降落

4、傘設(shè)計(jì)和傘型開發(fā)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。
　?。?）結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了火星降落傘超聲速充氣過程動(dòng)力學(xué)特性?；跁r(shí)空守恒元解元（Conservation Element and Solution Element，CE/SE）方法和結(jié)構(gòu)力學(xué)求解方法（Mechanical Solver）建立了流固耦合平臺(tái)，采用較為成熟的火星科學(xué)試驗(yàn)計(jì)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(tái)下進(jìn)行無限質(zhì)量充氣過程的仿真計(jì)算，對應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)工況下的盤縫帶傘充氣性能，將仿真結(jié)果與 NASA試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證了耦合平臺(tái)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(dòng)載及乘員損傷概率進(jìn)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(biāo)，對身體各部位開傘過載沖擊作用下的耐受限值進(jìn)行評估。
　?。?）研究了火星探測任務(wù)中物傘多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)相似性準(zhǔn)則和縮比試驗(yàn)。首先確定相關(guān)無量綱參數(shù)，推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)相似定律，確定

7、地球和火星飛行試驗(yàn)系統(tǒng)的相似性縮放比例并指導(dǎo)地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用飛艇空投平臺(tái)開展物傘系統(tǒng)縮比試驗(yàn)，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(dòng)力學(xué)模型和小擾動(dòng)理論對物傘系統(tǒng)進(jìn)行飛行力學(xué)仿真和穩(wěn)定性分析，對比結(jié)果驗(yàn)證了物傘縮比試驗(yàn)系統(tǒng)的適用性和動(dòng)力學(xué)模型的有效性。
　　（6）對火星探測的進(jìn)入、減速和著陸（Entry，Descet and Landing, EDL）全過程的飛行彈道進(jìn)行了集成仿真。分別建立了盤縫帶傘-著陸器系統(tǒng)的進(jìn)

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