[發明專利]一種裝備空投著陸緩沖過程的模擬計算方法

有效

• 申請號: 201210240613.3
• 申請日: 2012-07-12
• 公開（公告）號: CN102789526A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 王紅巖;洪煌杰;芮強;李建陽;郝貴祥
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝甲兵工程學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 東莞市華南專利商標事務所有限公司 44215
• 代理人: 張明

技術領域

本發明涉及空投技術仿真評估技術領域，特指一種裝備空投著陸緩沖過程的模擬計算方法。

背景技術

裝備在傘降后落地時如果直接觸地，瞬間沖擊過載將會損壞裝備的機械結構及內部的儀器設備。因此需要通過能量吸收裝置吸收一部分沖擊能量。廣泛使用的能量吸收裝置主要有可壓縮材料、制動火箭和氣囊緩沖系統。氣囊緩沖系統相比其它能量吸收裝置具有結構簡單、使用方便、緩沖效果好以及成本低等優點。氣囊緩沖系統主要通過氣囊的緩沖，在著陸時吸收大部分沖擊能量，減輕裝備在著陸瞬間所受到的沖擊。由于氣囊緩沖系統的多項優點，被廣泛應用于交通、航天和空投等存在較大沖擊的領域，近年來氣囊緩沖系統逐漸成為裝備空投系統的重要組成部分之一。

國外對著陸緩沖氣囊的研究始于50年代末期。早期主要是利用氣體熱力學理論，建立緩沖氣囊的解析計算模型，通過研究氣囊被壓縮過程中內部氣體參數的變化來研究氣囊的緩沖特性，美國的ESGAR等在1960年發表的NASA報告《Analytical?Study?of?Soft?Landings?on?Gas-Filled?Bags》一文中采用這種方法討論了氣囊的形狀結構、尺寸參數、開啟壓力和排氣口面積等與要求指標之間的關系以及各參數之間的相互影響關系。隨著計算技術的發展，非線性有限元技術在氣囊特性分析中被廣泛采用，在2001年發表于AIAA的《Investigation?Of?The?Application?Of?Airbag?Technology?To?Provide?A?Soft?Landing?Capability?For?Military?Heavy?Airdrop》一文中，美國的Taylor采用顯式有限元方法對悍馬車的空投氣囊緩沖特性進行了仿真分析和試驗對比，驗證了有限元分析方法的有效性。

國內對緩沖氣囊的研究開始于90年代末期。在《南京航空航天大學學報》1999年第4期上發表的《無人機回收氣囊緩沖特性研究》一文中，南京航空航天大學的戈嗣誠等對無人機傘降-氣囊回收系統的氣囊緩沖特性進行了研究，以單個氣囊為對象，分析了影響緩沖性能的主要因素，研究表明質量體積比和排氣口面積是決定緩沖效果的主要因素。在《試驗技術與試驗機》2003年第1期上發表的《氣囊緩沖飛行器模型著陸特性的試驗研究》一文中，哈爾濱工業大學的萬志敏等人采用實驗研究的方法測試了封閉氣囊特征內壓對緩沖特性的影響，試驗測試了兩種裝備氣囊緩沖系統的飛行器模型的著陸特性，研究得出的飛行器在著陸緩沖過程中的基本特性及影響著陸穩定性的因素。在《系統仿真學報》2007年第14期上發表的《貨臺空投系統氣囊緩沖過程仿真》一文中，北京航空航天大學的王亞偉、楊春信等基于熱力學方法建立了貨臺空投系統氣囊緩沖過程仿真模型，綜合考慮了實際緩沖工作過程中排氣口面積的變化，有效地模擬了該型緩沖氣囊的實際工作特性。

從國內外研究情況來看，對緩沖氣囊的設計、分析與評估主要是采用物理樣機的試驗測試、基于熱力學的解析分析和非線性有限元方法等方法。物理樣機的試驗測試的方法能最直接和真實地反映緩沖氣囊的特性，但是一般情況下物理樣機的試驗測試難度較大、重復性差、成本高、周期長、安全性低而且有些極端工況無法通過試驗來實現。基于熱力學的解析方法是通過研究氣囊被壓縮過程中內部氣體參數的變化來研究氣囊的緩沖作用，該方法比較簡便，計算精度能滿足一般的工程需要，具有較好的工程應用性，但無法準確計算氣囊變形，只能分析垂直著陸工況。非線性有限元方法是在熱力學方法的基礎上，通過對氣囊壁劃分網格，計算不同時刻氣囊的變形，從而精確地計算著陸過程中任意時刻氣囊變形以及變形引起的囊內氣體參數變化和緩沖特性，該方法計算準確，可以模擬計算各種著陸工況下的氣囊緩沖特性，特別是在極端工況下的氣囊緩沖特性。但是由于非線性有限元方法建模復雜，在現有的研究中一般采用物理樣機的試驗測試和基于熱力學的解析分析的方法對裝備空投進行研究，非線性有限元方法在裝備著陸緩沖過程動態仿真計算中缺乏實際應用。

因此，本發明以裝備—氣囊系統為研究對象，提出一種采用非線性有限元方法的裝備空投著陸緩沖過程的模擬計算方法，對于空投裝備的論證、設計以及研制工作具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足提供裝備空投著陸緩沖過程的模擬計算方法，該模擬計算方法實現了基于非線性有限元方法的對裝備空投著陸緩沖過程的模擬，同時獲取裝備—氣囊系統的氣囊緩沖特性和裝備沖擊響應特性的仿真計算方法，為空投裝備的論證、設計及研制工作提供了有效手段，解決了裝備空投試驗的高風險、高成本及長周期的問題。