基于LS-DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究

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1、第27卷第3期航天器环境工程2010年6月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING367曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼曼舅量量皇曼量曼曼曼皇曼曼曼曼!曼皇量量曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量

2、iII皇曼皇曼量曼皇曼曼鼍基于LS．DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究贾贺，荣伟，陈国良(北京空间机电研究所，北京100076)摘要：文章基于LS．DYNA软件对降落伞的充气过程进行了数值模拟，得到了降落伞的充气时间和投影面积变化的规律，验证了使用LS．DYNA软件数值模拟降落伞充气过程的可

3、行性，提出了一种新的数值模拟降落伞充气过程的分析方法．关键词：降落伞；充气过程；流固耦合；数值仿真；有限元方法中图分类号：V525；TBll5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)03-0367-07DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．03．0210引言降落伞系统作为一种高效、可靠的回收装置，在我国载人飞船、返回式卫星的回收着陆以及美国火星探测器的着陆等过程中，都得到了广泛的应用。充气是降落伞整个工作过程中最为复杂的一个阶段，也是研究人员迫切地想通过理论分析来解释的【卜21。

4、目前，对于降落伞充气性能(除最大开伞动载外)的了解或掌握主要是通过一些试验结果的统计分析来获取的，充气性能与开伞条件之间的关系也是通过试验结果统计、拟合出来的【31。这使得充气时间、伞衣投影面积变化的一些经验公式存在着～定的局限性，只能在某些情况下适用。随着“嫦娥一号”的成功发射，我国对于火星探测的研究即将进入实质阶段。火星大气层的成分、物理性质与地球的大气层存在着较大的差别，因此，对于降落伞系统在火星大气环境下的工作性能评定，不能像地球上回收航天器所用的降落伞系统那样可以通过空投试验来直接验证，而需要通过理论分析或者数值

5、仿真来进行。目前回收系统工作过程的数值仿真系统所用到降落伞开伞过程的一些参数，如充气时间、伞衣投影面积的变化一般是采用经验公式来处理的。有关研究表明，对于火星这样稀薄的大气环境，这些常用的经验关系式将不再适用【4】。因此，如何通过数值仿真来获取研究降落伞充气过程性能的主要参数，已经被提上了降落伞理论研究和工程实践的日程。进入2l世纪以来，应用LS．DYNA有限元分析软件来分析降落伞的工作过程(充气阶段、稳定阶段等)成为一个热点。国外在这方面做了大量的工作，但是对降落伞充气过程的仿真还不能完全地解决‘5～。国内使用LS—DY

6、NA软件对降落伞充气过程仿真研究尚属空白。本文基于LS—DYNA软件对数值模拟降落伞充气过程的方法进行了初步研究。1降落伞的充气过程降落伞的充气过程是指从伞系统全长地拉直到伞衣第一次充满(伞衣投影直径第一次能达到稳定下降所需的伞衣投影直径，不考虑过度充气)为止的整个工作过程【l-2】，如图l所示。专◆张收稿日期：2009．10．09；修回日期：2009·11-03作者简介：贾贺(1983一)，男，硕士学位，主要从事飞船回收着陆分系统的仿真分析工作．联系电话：68384326．荣伟(1969一)，男，博士学位，研究员，主要从

7、事神舟飞船回收着陆分系统的研制工作．航天器环境工程第27卷降落伞的充气性能主要由临界开伞速度、伞衣充满条件、充气时间、充气距离、伞衣投影面积变化和最大开伞动载等参数来描述和表征【l，31。本文基于LS．DYNA软件对降落伞的充气时间和伞衣投影面积变化的数值模拟分析，来研究降落伞的充气过程。2LS．DYNA的流固耦合算法LS—DY'NA软件是著名的显式动力分析程序，具有强大精确的有限元仿真性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和算法选择，能够很方便地处理各种高度非线性问题。到目前为止，它是对降落伞充气过程进行仿真的最优工

8、具之一。LS．DYNA971是一个主要的程序版本。它增加了透气性材料的流固耦合算法，这样就可以通过控制流固耦合过程的各个参数，真实地模拟降落伞的充气过程。LS．DYNA与一般的CAE辅助分析程序操作过程相似，LS—DYNA的一个完整的显式动力分析过程包括前处理、求解以及后处理3个基本操作环节，如图2所示。分析方案的总体规划综合考虑结构特点、计算精度以及计算成本前处理阶段指定单元类型、实常数，定义材料模型，建立几何模型，划分网格形成有限元模型，定义接触表面，增加载荷与边界条件，信息写入K文件递交LS．DYNA求解器设置求解参

9、数并求解结果的后处理数据的可视化处理结果与评价，形成分析报告图2LS．DYNA的一般计算流程Fig．2ComputationprocessofLS-DYNA在解决流固耦合问题时，需要一种将Lagrange和Euler的优点结合起来的方法，即ArbitraryLagrange．Euler，简称ALE方法【