[發明專利]一種基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法

在審

• 申請號: 202211241431.8
• 申請日: 2022-10-08
• 公開（公告）號: CN115795644A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 陳吉昌;李樂;童明波;張恒琿;盧志偉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 李寰

本發明涉及一種基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法，屬于航空航天領域，步驟為(1)針對帶柔性氣囊直升機，重建、簡化幾何和劃分網格，得到高效的、適用于水上漂浮計算的網格模型；(2)采用剛柔混合方法，基于靜水壓力場及人工阻尼構建等效壓力場，二次開發有限元軟件，計算帶柔性氣囊的直升機自由浮態；(3)采用對直升機自身添加剛性約束的策略，構建不同橫傾角計算模型，仿真計算對應橫傾角下的橫傾力矩，得到帶柔性氣囊的直升機橫向靜穩性曲線；(4)通過積分中值定理，推導任一單元壓力方程，進行誤差分析。與傳統方法相比，解決了排水體積法無法考慮氣囊柔性的問題，避開了復雜低效的流固耦合仿真計算。

技術領域

本發明涉及一種基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法，用于帶柔性氣囊直升機水上漂浮性能分析，具體涉及基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法，屬于航空航天領域。

背景技術

直升機水上事故產生的主要原因之一是直升機自身的漂浮特性問題，橫向靜穩性作為直升機水上漂浮性能的重要組成部分，在航空航天領域發揮著至關重要的作用。據調研表明，在目前記錄的46起事故中，有33起直升機迫降到水面后迅速發生沉沒，5起直升機漂浮于水面上但由于橫向靜穩性不足發生了側翻，僅有6起直升機仍正浮于水面。

為解決直升機的水上漂浮性能問題，越來越多的水上安全設計被應用到直升機結構及布局設計當中，同時，這也對直升機的橫向靜穩性分析方法提出了更高的要求。如：以米14為典型的高水密性船型設計，該設計在保證直升機水上漂浮性能的同時，減小了橫傾力臂，但結構重量的大幅度增加提高了直升機的橫傾力矩；以AW139為典型的內置式應急氣囊設計和以AS332L1為典型的外置式氣囊設計，該設計為直升機添加了多個柔性應急氣囊，增強了直升機橫向靜穩性，但是氣囊的柔性及氣囊與直升機之間的多體相互運動，為橫向靜穩性分析帶來了不便。

目前，在直升機水上漂浮數值分析領域，多采用排水體積法和流固耦合方法。排水體積法假定直升機和氣囊為一整體的剛性體，不考慮氣囊柔性變形及氣囊與直升機的相對運動。但是，在實際漂浮過程中，尤其是在較大橫傾角情況下，由于水壓與直升機重力、慣性力所帶來的接觸力作用，當氣囊充氣較少時，氣囊會發生較大的變形，對直升機橫向靜穩性產生較大影響；與此同時，氣囊與直升機之間的連接目前多采用連接帶設計，該設計下氣囊與直升機會產生較大的相對移動，從而在一定情況下，小幅度減少直升機與氣囊直接的橫向相對位移，從而降低直升機的橫向靜穩性。因此，傳統排水體積法下，帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析計算容易帶來偏大的結果，不利于直升機的漂浮安全性能設計。與此相對，流固耦合方法能很好的處理氣囊與直升機的剛柔混合多體結構，但水上漂浮需要的是直升機達到穩態后的計算結果，因此需要一個較長的時間歷程，而眾所周知，流固耦合計算在瞬態分析中往往就需要一個較長的計算周期；同時，橫向靜穩性曲線需要通過數十組不同橫傾角下的橫傾力矩組成，其較多的工況帶來極為龐大的計算資源消耗；除此以外，目前支持流固耦合計算的商業軟件，多致力于瞬態沖擊的仿真分析，其對穩態計算的支持并不成熟，如LS-DYNA中ALE方法的罰函數穿透現象，在穩態計算中較為嚴重，計算精度也較差。

因此，需要針對帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析，找到一種高效的計算方法進行研究。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，基于等效壓力場策略、二次開發有限元軟件，綜合考慮氣囊柔性及直升機與氣囊之間的連接方式，采用剛柔混合的方式，添加約束方程，求解帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性，為直升機橫向靜穩性分析、優化和驗證提供一種快速、準確的計算方法，滿足航空航天領域對于直升機水上漂浮性能設計的需求，提供一種基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法。

本發明的目的是這樣實現的：一種基于等效壓力場的帶柔性氣囊直升機橫向靜穩性分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)、針對任一帶柔性氣囊直升機，根據其最大橫傾角，重建和簡化其幾何外形，選擇以四邊形殼單元為主、三角形殼單元為輔的方式，構建其網格模型；