算例丨降落伞开伞气动减速过程流-固耦合模拟仿真

1年前浏览2017

降落伞作为一种气动减速装置，由于具有重量轻，体积小，稳定减速效果好，加工方便以及成本低等优点，在国防科学、民用技术及航空体育运动等领域中均得到了广泛地应用。

1 项目背景

降落伞开伞充气过程是一种快速大形变状态下结构动力学与流体动力学耦合的复杂问题。首先，由于降落伞是个柔性织物透气体，它在开伞过程中经历了急剧的结构大变形，这是一个几何非线性与材料非线性并存的瞬间大变形结构动力学问题。其次，伞衣内外的流场十分复杂。伞衣内部流动是显著的湍流状态；而伞衣外部，流场则存在着严重的分离现象；同时还有部分气流透过伞衣织物。再次，在充气过程中，伞衣的结构变形与伞衣周围的流场变化的相互耦合也是十分复杂的。如：变形、透气性影响了伞衣周围压力场的变化，而压力场的变化反过来又对伞衣形状产生影响，由此形成了一个复杂的、相互作用的过程。

总之，应该建立何种合适的数学模型来对其气动力进行分析，还一直是困扰降落伞理论研究的一个难点和盲点问题。本文应用基于ALE（Arbitrary Langrangian Eulerian）的ESI流固耦合方法，对降落伞的开伞过程进行仿真分析，得到其充满状态与开伞动载随时间变化规律，为降落伞的设计提供参考依据。

2 模型建立

2.1 折叠伞衣建模

折叠伞衣建模如图1所示，伞衣上截面和下截面分别建立对应的伞幅，伞面依次填充即可，在建模过程中要保证上截面和下截面线性过渡。

图1 折叠伞衣建模

2.2 网格划分

几何共分为伞衣、伞绳、动力源和空气域四部分，最终划分的网格如图2所示。

图2 网格模型

2.3 计算模型建立

2.3.1 材料设置

伞衣材料选择为MAT_034，密度为533.77kg/m³，弹性模量为0.4309Gpa，泊松比为0.14，假设各向同性，阻尼设为0.5，厚度为0.001m。伞绳材料选择为MAT_071，设置密度为462kg/m³，弹性模量为97Gpa，截面积为4.91×10^-6。动力源和空气域材料选择为MAT_009，设置为理想气体，密度为1.18kg/m³，pc为截至压力系数，为-1，动力粘度为1.746×10^-5.

2.3.2 特征创建

伞衣的特征需要设置SECTION_SHELL_ALE和HOURGLASS。在SECTION_ SHELL_ALE中，Elform为单元算法，选择为具有单点积分的膜单元算法，对应编号为5。Nip为壳单元沿厚度方向的积分个数，对于算法5，选择为1。T1为壳单元厚度，为0.001m，其他参数默认即可。在HOURGLASS中，伞衣沙漏控制中的沙漏系数设置为0.1。

伞绳的特征需要设置section_beam，其中Elform为单元算法，绳索选择为离散的梁/索单元算法，对应编号为6。vol为单元体积，设置为2.863×10^-5m³。Ca为单元横截面积，取为4.91×10^-6，其他参数默认即可。

动力源和空气域的特征需要设置SECTION_SOLID_ALE、EOS和HOURGLASS。在SECTION_SOLID_ALE中，Elform为单元算法，选择11，单点ALE多物质材料单元。AET选择为1。Dyna关于流体，要设置eos状态方程，将c4与c5设置为0.4，表示理想空气。流体沙漏控制中的沙漏系数设置为0.0001；

2.3.3 加载和边界条件设置

伞绳的连接点设置为固定约束，将所有自由度约束住。动力源和流体域的侧边和定边设置为无反射边界条件，伞衣和伞绳采用共节点连接，动力源设置沿z轴的速度为80m/s。

2.3.4 流固耦合关键字设置

NQUAD为固体单元耦合的积分点数量，选择为两点积分模式，设置为2；

Ctype为耦合的方式，设置为11，其是专门针对于透气单元与ALE物质设定的；

DIREC为耦合的方向，设置为2，表示仅在压缩的法向位置耦合，这种设置比较稳定；

Mcoup为多材料组耦合的选择，设置为0表示所有材料都参与耦合；

THKF单元厚度比例因子，设置为1；

A1与B1为材料的粘性系数与惯性系数，其模拟伞衣的透气性参数，对于透气性很强的伞来说，该参数非常重要，一般通过试验数据确定，本案例根据论文参考，设置1.6×10⁶与4.8×10⁵.

2.3.5 求解card创建

（1）CON*TROL_ALE

由于伞衣和流场都设置为ALE单元，所以需要设置ALE算法的控制选项；