专利名称：一种装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法
技术领域：
本发明涉及空投技术仿真评估技术领域，特指ー种装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法。
背景技术：
装备在伞降后落地时如果直接触地，瞬间冲击过载将会损 坏装备的机械结构及内部的仪器设备。因此需要通过能量吸收装置吸收一部分冲击能量。广泛使用的能量吸收装置主要有可压缩材料、制动火箭和气囊缓冲系统。气囊缓冲系统相比其它能量吸收装置具有结构简单、使用方便、缓冲效果好以及成本低等优点。气囊缓冲系统主要通过气囊的缓冲，在着陆时吸收大部分冲击能量，减轻装备在着陆瞬间所受到的冲击。由于气囊缓冲系统的多项优点，被广泛应用于交通、航天和空投等存在较大冲击的领域，近年来气囊缓冲系统逐渐成为装备空投系统的重要组成部分之一。国外对着陆缓冲气囊的研究始于50年代末期。早期主要是利用气体热力学理论，建立缓冲气囊的解析计算模型，通过研究气囊被压缩过程中内部气体參数的变化来研究气囊的缓冲特性，美国的ESGAR等在1960年发表的NASA报告《Analytical Study of SoftLandings on Gas-Filled Bags》一文中采用这种方法讨论了气囊的形状结构、尺寸參数、开启压力和排气ロ面积等与要求指标之间的关系以及各參数之间的相互影响关系。随着计算技术的发展，非线性有限元技术在气囊特性分析中被广泛采用，在2001年发表于AIAA的《Investigation Of The Application Of Airbag Technology To Provide A SoftLanding Capability For Military Heavy Airdrop))一文中，美国的Taylor 米用显式有限元方法对悍马车的空投气囊缓冲特性进行了仿真分析和试验对比，验证了有限元分析方法的有效性。国内对缓冲气囊的研究开始于90年代末期。在《南京航空航天大学学报》1999年第4期上发表的《无人机回收气囊缓冲特性研究》一文中，南京航空航天大学的戈嗣诚等对无人机伞降-气囊回收系统的气囊缓冲特性进行了研究，以单个气囊为对象，分析了影响缓冲性能的主要因素，研究表明质量体积比和排气ロ面积是决定缓冲效果的主要因素。在《试验技术与试验机》2003年第I期上发表的《气囊缓冲飞行器模型着陆特性的试验研究》一文中，哈尔滨エ业大学的万志敏等人采用实验研究的方法测试了封闭气囊特征内压对缓冲特性的影响，试验测试了两种装备气囊缓冲系统的飞行器模型的着陆特性，研究得出的飞行器在着陆缓冲过程中的基本特性及影响着陆稳定性的因素。在《系统仿真学报》2007年第14期上发表的《货台空投系统气囊缓冲过程仿真》一文中，北京航空航天大学的王亚伟、杨春信等基于热力学方法建立了货台空投系统气囊缓冲过程仿真模型，综合考虑了实际缓冲工作过程中排气ロ面积的变化，有效地模拟了该型缓冲气囊的实际工作特性。从国内外研究情况来看，对缓冲气囊的设计、分析与评估主要是采用物理样机的试验测试、基于热力学的解析分析和非线性有限元方法等方法。物理样机的试验测试的方法能最直接和真实地反映缓冲气囊的特性，但是一般情况下物理样机的试验测试难度较大、重复性差、成本高、周期长、安全性低而且有些极端エ况无法通过试验来实现。基于热カ学的解析方法是通过研究气囊被压缩过程中内部气体參数的变化来研究气囊的缓冲作用，该方法比较简便，计算精度能满足一般的工程需要，具有较好的工程应用性，但无法准确计算气囊变形，只能分析垂直着陆エ况。非线性有限元方法是在热力学方法的基础上，通过对气囊壁划分网格，计算不同时刻气囊的变形，从而精确地计算着陆过程中任意时刻气囊变形以及变形引起的囊内气体參数变化和缓冲特性，该方法计算准确，可以模拟计算各种着陆エ况下的气囊缓冲特性，特别是在极端エ况下的气囊缓冲特性。但是由于非线性有限元方法建模复杂，在现有的研究中一般采用物理样机的试验测试和基于热力学的解析分析的方法对装备空投进行研究，非线性有限元方法在装备着陆缓冲过程动态仿真计算中缺乏实际应用。因此，本发明以装备ー气囊系统为研究对象，提出ー种采用非线性有限元方法的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，对于空投装备的论证、设计以及研制工作具有重
要意义。·
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，该模拟计算方法实现了基于非线性有限元方法的对装备空投着陆缓冲过程的模拟，同时获取装备ー气囊系统的气囊缓冲特性和装备冲击响应特性的仿真计算方法，为空投装备的论证、设计及研制工作提供了有效手段，解决了装备空投试验的高风险、高成本及长周期的问题。为实现上述目的，本发明的一种装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，包括第一歩，通过计算机建立装备ー气囊系统的有限元模型，所述装备ー气囊系统的有限元模型包括装备有限元模型、气囊有限元模型和装备与气囊的接触模型；
第二步，基于非线性有限元的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算，所述模拟计算的实施步骤如下1)以显式积分算法求解计算装备有限元模型；2)采用控制体积法解算气囊有限元模型；3)解算装备与气囊的接触模型，在装备与气囊的接触模型中，将装备的底部定义为主面，气囊的上表面定义为从面，通过从面节点的力和从面节点对主面节点的附加质量计算获得主面节点的速度及主面节点的加速度，装备与气囊的接触计算基于单元的平均刚体位移，从面节点与主面的単元的质心相连，力和惯量由从面节点转移到主面节点，从面节点的矩被重新分配至主面对应单元的各节点，每个气囊模块的不同部分之间和相邻的各气囊模块之间的点面接触采用罚函数法进行求解，气囊各个面既是主面也是从面，每ー时间步先检查各从面节点是否穿透主面，如果没有穿透主面，则对该从面节点不做任何处理，如果穿透主面，则在该从面节点与被穿透主面间引入一个法向接触力，该法向接触力的大小与穿透深度、主面刚度成正比；
第三步装备空投着陆缓冲过程的模拟结果生成，通过计算获得并装备空投着陆缓冲过程的模拟结果，所述模拟结果包括气囊缓冲特性和装备冲击响应特性。其中，所述装备有限元模型中采用Johnson-Cook材料強度模型进行描述装备的材料本构模型，所述Johnson-Cook材料強度模型是ー个能反映应变硬化、应变率強化效应和温度软化效应的理想弹塑性強度模型，其表达式如下
权利要求
1.一种装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，其特征在于所述模拟方法的步骤包括 第一步，通过计算机建立装备一气囊系统的有限元模型，所述装备一气囊系统的有限元模型包括装备有限元模型、气囊有限元模型、装备与气囊的接触模型； 第二步，基于非线性有限元的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算，所述模拟计算的实施步骤如下1)以显式积分算法求解计算装备有限元模型；2)采用控制体积法解算气囊有限元模型；3)解算装备与气囊的接触模型，在装备与气囊的接触模型中，将装备的底部定义为主面，气囊的上表面定义为从面，通过从面节点的力和从面节点对主面节点的附加质量计算获得主面节点的速度及主面节点的加速度，装备与气囊的接触计算基于单元的平均刚体位移，从面节点与主面的单元的质心相连，力和惯量由从面节点转移到主面节点，从面节点的矩被重新分配至主面对应单元的各节点，每个气囊模块的不同部分之间和相邻的各气囊模块之间的点面接触采用罚函数法进行求解，气囊各个面既是主面也是从面，每一时间步先检查各从面节点是否穿透主面，如果没有穿透主面，则对该从面节点不做任何处理，如果穿透主面，则在该从面节点与被穿透主面间引入一个法向接触力，该法向接触力的大小与穿透深度、主面刚度成正比； 第三步装备空投着陆缓冲过程的模拟结果生成，通过计算获得装备空投着陆缓冲过程的模拟结果，所述模拟结果包括气囊缓冲特性和装备冲击响应特性。
2.根据权利要求I所述的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，其特征在于所述装备有限元模型中采用Johnson-Cook材料强度模型进行描述装备的材料本构模型，所述Johnson-Cook材料强度模型是一个能反映应变硬化、应变率强化效应和温度软化效应的理想弹塑性强度模型，其表达式如下
3.根据权利要求I所述的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，其特征在于所述装备与气囊的接触模型采用固结方式，相互之间无滑动，每个气囊模块的不同部分之间和相邻的各气囊模块之间的接触关系采用点面接触来描述。
4.根据权利要求I所述的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，其特征在于所述模拟结果的精度通过采用典型工况的试验数据进行验证，然后在此基础上进行各种不同工况的装备空投着陆缓冲过程的模拟并进行装备结构强度评估和气囊结构优化匹配设计。
全文摘要
本发明涉及空投技术仿真评估技术领域，特指一种装备空投着陆缓冲过程的模拟计算方法，所述模拟计算方法包括通过计算机建立装备—气囊系统的有限元模型、基于非线性有限元的装备空投着陆缓冲过程的模拟计算和装备空投着陆缓冲过程的模拟结果生成三大实施步骤；该模拟计算方法实现了基于非线性有限元方法的对装备空投着陆缓冲过程的模拟，同时获取装备—气囊系统的气囊缓冲特性和装备冲击响应特性的仿真计算方法，为空投装备的论证、设计及研制工作提供了有效手段，解决了装备空投试验的高风险、高成本及长周期的问题。
文档编号G06F17/50GK102789526SQ20121024061
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者李建阳, 洪煌杰, 王红岩, 芮强, 郝贵祥 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院