引  言 

翼傘是一種雙層結(jié)構(gòu)的柔性矩形翼，上、下翼面用翼型的肋幅分隔成若干氣室，翼型前緣開口，在前進(jìn)飛行中形成“沖壓空氣”，維持若干個氣室的內(nèi)壓以保持翼型。當(dāng)翼傘系統(tǒng)需要進(jìn)行機(jī)動轉(zhuǎn)彎和雀降等操縱動作時，會對翼型后緣進(jìn)行下拉偏轉(zhuǎn)操作來實現(xiàn)。

翼傘后緣偏轉(zhuǎn)的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協(xié)同控制，是典型的氣動與結(jié)構(gòu)緊耦合問題，涉及到的動力學(xué)問題復(fù)雜多變。對于翼傘系統(tǒng)操縱過程的動力學(xué)機(jī)理問題研究一直是降落傘領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和熱點問題。

本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程進(jìn)行動力學(xué)建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉(zhuǎn)過程、傘衣結(jié)構(gòu)場和周圍流場的時變演化規(guī)律及分布特性，為進(jìn)一步指導(dǎo)大型翼傘精確空投系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用提供參考。

流固耦合建模

本文所研究的翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程是針對充滿鼓包狀態(tài)的翼傘三維模型進(jìn)行的。翼傘系統(tǒng)包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結(jié)構(gòu)與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉(zhuǎn)過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應(yīng)。

圖 1 翼傘系統(tǒng)三維幾何模型

仿真方法驗證

為避免因流體和結(jié)構(gòu)單元之間尺寸差異過大而導(dǎo)致顯式動力學(xué)積分過程可能出現(xiàn)的非物理特征“沙漏現(xiàn)象”，進(jìn)而引起計算發(fā)散，流場網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。

圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網(wǎng)格模型

本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進(jìn)行仿真計算，S-ALE 方法與傳統(tǒng) ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構(gòu)和歐拉流場與拉格朗日結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網(wǎng)格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網(wǎng)格技術(shù)，即流場網(wǎng)格根據(jù)控制點設(shè)定的方向、增長率、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度等參數(shù)在仿真過程中隨著時間步的推進(jìn)逐漸產(chǎn)生，仿真前無需單獨建立流場網(wǎng)格。這可以極大減小網(wǎng)格處理時間并提高計算效率。經(jīng)過仿真測算，與傳統(tǒng) ALE 方法相比，S-ALE 方法的計算效率可以提高 60%。

仿真結(jié)果與驗證

圖 3 和圖 4 為翼傘后緣單側(cè)和雙側(cè)下偏操縱過程的傘衣表面結(jié)構(gòu) Von Mises 應(yīng)力分布云圖。從圖中可以明顯看出傘衣的上翼面整體應(yīng)力分布較為均勻，但當(dāng)后緣下偏時，在偏轉(zhuǎn)與未偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)折交接區(qū)域會出面明顯的應(yīng)力集中且受力增大；同時翼型前緣也相應(yīng)出現(xiàn)類似現(xiàn)象，且與后緣應(yīng)力集中區(qū)域的受力水平接近。說明翼傘后緣偏轉(zhuǎn)發(fā)生的轉(zhuǎn)折交接區(qū)域和偏轉(zhuǎn)側(cè)前緣切口區(qū)域是在翼傘操縱過程比較容易發(fā)生撕裂現(xiàn)象的區(qū)域，應(yīng)考慮在這兩處增加結(jié)構(gòu)強度。從傘衣結(jié)構(gòu)受力水平來講，在下偏量相同的情況下，雙側(cè)下偏的傘衣結(jié)構(gòu)受力明顯高于單側(cè)下偏情況。

圖 3 不同時刻單側(cè)下偏傘衣表面結(jié)構(gòu) Von Mises 應(yīng)力云圖

圖 4 不同時刻雙側(cè)下偏傘衣表面結(jié)構(gòu) Von Mises 應(yīng)力云圖

圖 5 和圖 6 為翼傘后緣雙側(cè)下偏過程不同時刻的傘衣周圍流場速度變化云圖。從單側(cè)下偏過程的速度變化分布云圖可以看出，在翼傘的尾緣頂部緊貼上翼面附近出現(xiàn)近似圓形的高速區(qū)域，當(dāng)下偏時該區(qū)域被拉長，下偏完成后此區(qū)域減小。該高速區(qū)域會使上翼面頂部的氣流自后緣向前緣倒流，產(chǎn)生流動分離，這也是翼傘轉(zhuǎn)彎操縱出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的主要原因。從雙側(cè)下偏過程的橫向剖面流場速度分布云圖可以看出，該高速區(qū)域主要存在于翼傘下偏發(fā)生的轉(zhuǎn)折交界區(qū)域附近。

圖 5 不同時刻單側(cè)下偏傘衣周圍流場速度變化云圖

圖 6 不同時刻雙側(cè)下偏過程周圍流場速度變化云圖

參考文獻(xiàn)：高興龍;陳欽;張青斌;李志輝. 翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程的流固耦合動力學(xué)特性 [J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報, 2023, 41 (05): 68-75.

文章內(nèi)容轉(zhuǎn)自：“云數(shù)仿真”公眾號