降落伞开伞动载仿真方法和系统

本发明涉及降落伞开伞动载仿真，尤其涉及一种降落伞开伞动载仿真方法和系统。

背景技术：

1、降落伞充气可靠是保证其自身工作可靠的前提，也是实现伞-载荷系统稳定性和落点精确的关键。传统研究降落伞开伞动载的过程中，经常采用工程经验方法或风洞试验给出降落伞的开伞动载。

2、但是，风洞试验价格昂贵且效费比低，工程经验方法又没有考虑降落伞充气过程中非线性、大变形、流固耦合的瞬态动力学特性，这在某种程度上会导致计算结果与实际不符，且经验公式仅仅适用于常见的圆形伞，对于其他形状的降落伞经验公式方法无法准确计算。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种降落伞开伞动载仿真方法和系统。

2、为实现上述目的，本发明提供一种降落伞开伞动载仿真方法，包括：

3、基于柔性降落伞开伞过程的动力学特性，分别建立降落伞结构和周围流场的动力学计算模型；

4、基于降落伞伞衣结构的透气性，通过对ergun方程的积分，推导出渗透伞衣结构的介质的耦合力；

5、建立降落伞的几何模型；

6、建立降落伞及其周围流场的有限元数值模型，将所述动力学计算模型、所述渗透伞衣结构的介质的耦合力和所述降落伞的几何模型配置于所述有限元数值模型中，形成仿真数值模型；

7、将仿真数值模型输入到ls-dyna求解器中运行，获得不同流速下开伞动载随时间变化的动态仿真结果。

8、根据本发明的一个方面，基于柔性降落伞开伞过程的动力学特性，分别建立降落伞结构和周围流场的动力学计算模型，包括：

9、建立伞衣结构动力学模型：

10、伞衣结构为多孔介质薄膜结构，其结构域为，多孔介质薄膜结构的控制方程为：

11、；

12、；

13、伞衣结构的边界由表示，控制方程满足以下的位移边界条件和牵引边界条件:

14、;

15、;

16、式中，表示伞衣结构域，表示伞衣结构的边界，是结构的柯西应力张量，是结构密度，是作用在结构上的体积力，是比内能，是加速度，和分别是位移矢量和结构应力矢量，是边界的外法线单位向量，是伞衣结构的位移边界，是牵连边界；

17、建立伞绳动力学模型：

18、将伞绳进行离散化处理，离散化的伞绳单元动力学特性控制方程为：

19、；

20、式中，f0为初始预紧力，初始预紧力为零，为绳长变化量，k为材料刚度，其中绳长变化量分别由以下公式计算：

21、；

22、；

23、式中，为伞绳当前长度，为伞绳初始长度，e为杨氏模量，a为伞绳的横截面积，为绳长偏移量；若伞绳初始状态松弛，偏移量为负值；若伞绳为张紧状态，偏移量为正值；

24、建立流场动力学模型：

25、用表示空气所占的空间域，表示其边界；

26、空间域内牛顿流体ale方程的质量、动量和能量守恒方程如下：

27、；

28、；

29、；

30、式中，为流体密度，为体积力，是比内能，和分别为流体速度和网格移动速度；，得到eulerian公式；，得到lagrange公式；是流体的应力张量，定义为：

31、；

32、式中，p为气体压力，id为二阶单位张量，μ为流体动力粘度系数，为梯度算子；

33、气体压力通过理想气体状态方程计算得到：

34、；

35、式中为空气密度，cp和cv是恒压恒容的比热容，为温度；

36、建立流体域的速度边界条件和流固耦合界面的牵引边界条件如下：

37、；

38、；

39、式中是流体域的速度边界，是牵连边界，即伞衣表面，和分别是位移矢量和应力矢量。

40、根据本发明的一个方面，基于降落伞伞衣结构的透气性，通过对ergun方程的积分，推导出渗透伞衣结构的介质的耦合力为：

41、；

42、式中，表示渗透介质的耦合力，p表示压力，r为伞衣单元结构的法线，为相对速度，为渗透率，为多孔伞衣单元结构的粘性系数，为惯性系数，伞衣织物渗透参数为a=1599174kg/m2s和b=48051kg/m3。

43、根据本发明的一个方面，建立降落伞的有限元数值模型为：

44、利用有限元方法建立 降落伞的数值仿真模型，其中降落伞的伞衣织物是柔性变形体，将其设置为二维拉格朗日壳单元，对描述伞衣多孔介质薄膜结构的壳单元进行离散化处理，材料模型选择*mat_fabric织物材料模型，二维拉格朗日壳单元的伞衣的内应力、应变本构关系为：

45、；

46、式中σ1、ε1、ν1、e1分别是纵向应力、纵向应变、泊松比和杨氏模量，σ2、ε2、ν2、e2分别是横向应力、横向应变、泊松比和杨氏模量，τ12为剪切应力，ε12为剪切应变，g12为剪切模量，α为非线性系数，可用应力-应变关系来表示；

47、对降落伞的伞绳和加强筋采用离散梁单元模型，只考虑拉伸方向的作用力，结合cable材料模型对其进行网格划分，考虑到伞的旋转特性，将伞绳连接到可旋转的刚性伞盘上，伞盘设置为六面体固体单元。

48、根据本发明的一个方面，建立降落伞周围流场的有限元数值模型为：

49、将流场设置为六面体固体单元网格；

50、采用渐变网格流场域，细化靠近伞衣结构的流体网格，并由内向伞衣壁面逐渐增大流体网格；

51、流场入口采用速度入口边界条件，其余流场壁面采用无反射边界条件，降落伞位于流场中央位置。

52、根据本发明的一个方面，所述伞衣结构的伞衣材料模型选择ls-dyna材料库中用于气囊充气的fabric织物材料模型，伞绳和加强筋采用cable材料模型模拟绳索力学行为，流场域采用null材料模型和空气材料参数以及理想气体状态方程进行描述。

53、为实现上述目的，本发明还提供一种降落伞开伞动载仿真系统，包括：

54、动力学计算模型构建模块，基于柔性降落伞开伞过程的动力学特性，分别建立降落伞结构和周围流场的动力学计算模型；

55、耦合力计算模块，基于降落伞伞衣结构的透气性，通过对ergun方程的积分，推导出渗透伞衣结构的介质的耦合力；

56、降落伞几何模型构建模块，建立降落伞的几何模型；

57、仿真数值模型构建模块，建立降落伞及其周围流场的有限元数值模型，将所述动力学计算模型、所述渗透伞衣结构的介质的耦合力和所述降落伞的几何模型配置于所述有限元数值模型中，形成仿真数值模型；

58、仿真模块，将仿真数值模型输入到ls-dyna求解器中运行，获得不同流速下开伞动载随时间变化的动态仿真结果。

59、为实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的降落伞开伞动载仿真方法。

60、为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的降落伞开伞动载仿真方法。

61、根据本发明的方案，本发明涉及的柔性降落伞数值仿真方法能够有效地模拟和预测柔性降落伞的开伞性能，获得开伞动载等气动特性，可用于辅助各类降落伞的设计优化以及工程应用，有利于缩短研发周期，为降落伞开伞性能评估提供依据。