[发明专利]一种降落伞工作特性仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机仿真方法，尤其涉及一种降落伞工作特性仿真方法，用于带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性分析。

背景技术

通常降落伞根据设计指标，采用固定透气结构设计，如图1所示的伞顶孔，一般极少采用变透气结构设计，因而使用范围及适用工况有限。上述结构的降落伞在高速开伞情况下，伞衣受到的气动阻力过大，进而导致载荷所受到的瞬间过载较大，容易对载荷的安全造成影响；而增加上述降落伞的结构透气量，如增加伞顶孔直径，又会导致稳降速度过大，同样容易对载荷安全造成影响。

为解决此问题，部分降落伞设置了撕裂带，如图2所示，降落伞的每幅伞衣均被自上而下地分为一组相对独立的子伞衣1，各子伞衣1之间通过加强带2连接为一个整体。上下相邻的子伞衣1之间的部分加强带4在正常情况下折叠，折叠部分的两端用缝线5缝合或粘合，从而形成如图3所示的撕裂带，上下子伞衣之间除撕裂带以外的部分形成细小的透气结构。在高速开伞情况下，气动阻力会使撕裂带的缝线或粘合部断裂，直接导致折叠的部分加强带被拉直，原先的透气结构的面积将大大增加，使伞衣内的气流加速从透气结构中流出，从而减少气动过载，保护人员或回收物安全；而在低速开伞情况下，气动力不足以让缝线或粘合部断裂，撕裂带始终保持折叠状态，因而降落伞依然保持较小的透气结构面积，保证一定的气动阻力。

然而，在对降落伞工作过程的研究中，由于撕裂带在实际空投中的工作特性很难分析，目前国内外通常采用大量的实物空投试验来进行验证，消耗了大量的人力和财力。随着计算机硬件的飞速发展，虚拟分析技术逐渐成为一种非常有效的辅助方法，其中流固耦合方法逐渐成为降落伞开伞研究的重要研究手段（可以参考：程涵,余莉,李胜全. 基于ALE的降落伞充气过程数值仿真.南京航空航天大学学报,2012,44(3):290-293.），但该方法无法直接模拟撕裂带工作过程，因此难以实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性仿真分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种降落伞工作特性仿真方法，用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，从而实现对带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作特性进行准确地仿真分析。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种降落伞工作特性仿真方法，所述降落伞包括多幅伞衣，每幅伞衣包括一组通过

加强带自上而下依次连接的子伞衣，其中至少两片上下相邻的子伞衣之间的部分加强带在正常情况下折叠，折叠部分的两端缝合或粘合，形成撕裂带，当伞衣受到的力超过一定幅度时，所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开，折叠的部分加强带拉直；首先建立包括伞衣、加强带、撕裂带的三维网格模型，然后利用流固耦合方法对所建立的三维网格模型进行分析计算；所述三维网格模型中，加强带和撕裂带均使用杆单元划分网格；选取每个撕裂带杆单元与加强带杆单元的两个连接点作为该撕裂带杆单元的一对约束点，并以下式作为这一对约束点的约束条件，当所述约束条件得到满足时，这一对约束点之间的距离保持不变，当所述约束条件失效时，这一对约束点之间的距离发生变化：

   ，

式中，、分别为上述一对约束点中任一约束点所受外力之和在这一对约束点间连线方向上以及在垂直于这一对约束点间连线方向上的分量；、分别为在这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，以及在垂直于这一对约束点间连线方向上施加的使所述撕裂带的缝合部位或粘合部位断开所需的最小外力，预先通过实验测量获得。

    本发明通过用约束失效模拟撕裂带缝线断裂过程，解决了撕裂带工作过程仿真模拟的难题。本发明仿真方法可准确而有效地模拟出带有撕裂带的降落伞或者其他气动减速装置的工作过程，给降落伞设计人员提供设计参考，减少实物空投试验次数，节约设计成本，减少设计周期。

附图说明

图1为现有不带撕裂带的降落伞的结构示意图；

图2为带撕裂带的降落伞的结构示意图；

图3为撕裂带的结构示意图；

图4为撕裂带网格模型，其中a、b为该撕裂带网格的一对约束点；

图5为折叠状态下包括伞衣、加强带、伞绳及撕裂带的有限元网格模型；

图6为流场网格模型；

图7为包括伞衣、加强带、伞绳、撕裂带以及流场的完整有限元网格模型；

图8为伞顶孔打开前伞衣模型（线框模式）；

图9 为伞顶孔打开后伞衣模型（线框模式）；