降落傘流固耦合開傘仿真

楊仿君

2021年8月4日 20:40

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1項目背景

降落傘作為一種氣動減速裝置，由于具有重量輕，體積小，穩定減速效果好，加工方便以及成本低等優點，在國防科學、民用技術及航空體育運動等領域中均得到了廣泛地應用。降落傘開傘充氣過程是一種快速大形變狀態下結構動力學與流體動力學耦合的復雜問題。首先，由于降落傘是個柔性織物透氣體，它在開傘過程中經歷了急劇的結構大變形，這是一個幾何非線性與材料非線性并存的瞬間大變形結構動力學問題。其次，傘衣內外的流場十分復雜。傘衣內部流動是顯著的湍流狀態；而傘衣外部，流場則存在著嚴重的分離現象；同時還有部分氣流透過傘衣織物。再次，在充氣過程中，傘衣的結構變形與傘衣周圍的流場變化的相互耦合也是十分復雜的。如：變形、透氣性影響了傘衣周圍壓力場的變化，而壓力場的變化反過來又對傘衣形狀產生影響，由此形成了一個復雜的、相互作用的過程。

總之，應該建立何種合適的數學模型來對其氣動力進行分析，還一直是困擾降落傘理論研究的一個難點和盲點問題。本文應用基于ALE（Arbitrary Langrangian Eulerian）的ESI流固耦合方法，對降落傘的開傘過程進行仿真分析，得到其充滿狀態與開傘動載隨時間變化規律，為降落傘的設計提供參考依據。

2模型建立

2.1折疊傘衣建模

折疊傘衣建模如圖1所示，傘衣上截面和下截面分別建立對應的傘幅，傘面依次填充即可，在建模過程中要保證上截面和下截面線性過渡。

圖1 折疊傘衣建模

2.2 網格劃分

幾何共分為傘衣、傘繩、動力源和空氣域四部分，最終劃分的網格如圖2所示。

圖2 網格模型

2.3計算模型建立

2.3.1材料設置

傘衣材料選擇為MAT_034，密度為533.77kg/m³，彈性模量為0.4309Gpa，泊松比為0.14，假設各向同性，阻尼設為0.5，厚度為0.001m。傘繩材料選擇為MAT_071，設置密度為462kg/m³，彈性模量為97Gpa，截面積為4.91×10^-6。動力源和空氣域材料選擇為MAT_009，設置為理想氣體，密度為1.18kg/m³，pc為截至壓力系數，為-1，動力粘度為1.746×10^-5.

2.3.2 特征創建

傘衣的特征需要設置SECTION_SHELL_ALE和HOURGLASS。在SECTION_SHELL_ALE中，Elform為單元算法，選擇為具有單點積分的膜單元算法，對應編號為5。Nip為殼單元沿厚度方向的積分個數，對于算法5，選擇為1。T1為殼單元厚度，為0.001m，其他參數默認即可。在HOURGLASS中，傘衣沙漏控制中的沙漏系數設置為0.1。

傘繩的特征需要設置section_beam，其中Elform為單元算法，繩索選擇為離散的梁/索單元算法，對應編號為6。vol為單元體積，設置為2.863×10^-5m³。Ca為單元橫截面積，取為4.91×10^-6，其他參數默認即可。

動力源和空氣域的特征需要設置SECTION_SOLID_ALE、EOS和HOURGLASS。在SECTION_SOLID_ALE中，Elform為單元算法，選擇11，單點ALE多物質材料單元。AET選擇為1。Dyna關于流體，要設置eos狀態方程，將c4與c5設置為0.4，表示理想空氣。流體沙漏控制中的沙漏系數設置為0.0001；

2.3.3 加載和邊界條件設置

傘繩的連接點設置為固定約束，將所有自由度約束住。動力源和流體域的側邊和定邊設置為無反射邊界條件，傘衣和傘繩采用共節點連接，動力源設置沿z軸的速度為80m/s。

2.3.4 流固耦合關鍵字設置

NQUAD為固體單元耦合的積分點數量，選擇為兩點積分模式，設置為2；

Ctype為耦合的方式，設置為11，其是專門針對于透氣單元與ALE物質設定的；

DIREC為耦合的方向，設置為2，表示僅在壓縮的法向位置耦合，這種設置比較穩定；

Mcoup為多材料組耦合的選擇，設置為0表示所有材料都參與耦合；

THKF單元厚度比例因子，設置為1；

A1與B1為材料的粘性系數與慣性系數，其模擬傘衣的透氣性參數，對于透氣性很強的傘來說，該參數非常重要，一般通過試驗數據確定，本案例根據論文參考，設置1.6×10⁶與4.8×10⁵.

2.3.5 求解card創建

（1）CON*TROL_ALE