物-伞系统动力学高保真数值仿真技术及流固耦合算法研究

发布时间：2021-04-16 05:25

　　降落伞作为最为常见气动减速和稳定装置,被广泛用于航空航天领域。但降落伞自身复杂的气动特性和实际飞行过程中众多不确定性因素使得物-伞多体系统在运动过程中的动力学特性难以预测,给物-伞系统的工程应用与设计带来很大困难。通过对物-伞系统运动过程建立合适的数学模型进行数值仿真与计算,可以对不同飞行条件下系统性能、飞行轨迹、落点精度等进行预测和分析,为总体设计方案的评估、验证、改进和优化提供参考依据。另一方面,相较于以往大量的试验分析而言,借助仿真计算可以极大地提高设计效率,缩短研制周期并节省研制费用。现有物-伞系统仿真程序多为针对特定的物-伞系统运动过程开发的内部专有代码（in-house code）,并且在动力学建模过程中出于简化编程实现和减小计算量的目的引入了大量简化假设,因此该类仿真程序仅限于求解某一具体的物-伞系统构型,通用性和扩展性较差;同时大量简化假设也使得模型保真度（Fidelity）较低,无法捕捉实际中的诸多动力学细节。针对目前仿真算法以及程序实现上的不足,本文分别从基于多体动力学的物-伞系统总体飞行过程仿真方法和基于流固耦合动力学的物-伞系统有限质量开伞过程结构/流场细节计算... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：173 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

采用三级开伞序列的“猎户座”飞船返回过程

图 1.2 采用四级开伞序列的重装空投过程复杂的多级开伞序列和运动过程给整个回收系统的设计、验证和优化带来了很大的挑战时，针对不同场景的不同伞系统构型和开伞方式也使得难以建立统一的经验模型对物-伞系运动特性进行评估。另一方面，不同于以安全可靠为主要目标的传统降落伞应用，现代降系统在应用时除了对安全可靠的需求外，更对飞行过程可控性、物-伞系统稳定性、落点精提出了更高的要求。但由于降落伞的工作过程是一个涉及柔性织物大变形的非定常流场-柔构耦合过程[4]，其固有的复杂的气动特性和回收过程中众多的不确定性因素使得物-伞系统作过程中的动力学特性难以预测，因此在降落伞系统的设计过程中常需要进行大量成本高且耗时耗力的风洞吹风及空投试验。而对于很多实际中的应用场景，例如进行深空探测的器，地面试验很难模拟其实际飞行条件下的回收系统工作情况，这给实际研制工作带来了困难。为了降低降落伞系统改型和设计过程中的试验成本，缩短设计周期，需要借助于数值仿算。通过对物-伞系统运动过程建立可靠的数学模型，发展与现代高性能计算机硬件相适应精度仿真计算技术，可以对不同条件下不同构型的物-伞系统飞行性能、飞行轨迹、落点精进行预测和分析，为总体设计方案的设计、验证、改进和优化提供依据。同时，通过仿真可以大幅提高设计效率、降低试验风险、减小试验成本，从而缩短整个回收系统的研制周

有完整空间六自由的刚性物体动力学模型和具有 6×6 附加质量张同时，使用了弹性绳索约束模型配合三自由度转接头模型来描述物吊带构型；除此之外，还基于有限元方法中较为常见的节点-面片接于高精度投物-载机间接触力和摩擦力计算的接触碰撞模型。模型与主要参考系体地球模型及大地坐标系类物-伞系统动力学研究中，出于简化建模和计算的目的，绝大多数将地球表面假设为一个无限大且静止的平面，并以固连于该平面上来推导相应的动力学方程组。对于低空、低速、短程的物-伞系统飞过程，平面大地假设所引入的误差可以忽略不计。而对于涉及高空、飞行过程，例如航天器的再入减速过程，地球表面曲率所带来影响不假设的计算结果将会与实际情形存在较大的偏差，因此不再适用。和通用性，并能够准确计算包括航天器再入过程在内的各种物-伞GS-84 椭球体地球模型[108]。


本文编号：3140828