折叠式群伞充气接触的膜索非线性有限元算法

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1、航空学报Mar．252016V01．37No．3894-905ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn折叠式群伞充气接触的膜索非线性有限元算法樊玉新，夏健。南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：降落伞由折叠到打开的充气过程和多束降落伞捆绑在一起充气的过程都伴随着一个高度非线性的柔性结构接触问题，因此模拟降落伞群伞流固耦合问题必须首先

2、解决降落伞群伞非线性结构接触的数值模拟问题。对于降落伞这类柔性瞬变非线性织物结构，数值模拟织物系统的接触现象以及预测接触结果对降落伞工作状况的影响对于降落伞群伞设计具有很重要的指导意义。基于三维降落伞膜索非线性有限元编程模拟技术设计了一种针对单伞和群伞非线性动力系统的接触搜索算法，推导设计了针对接触随机性的接触切线刚度矩阵计算方法。针对降落伞群伞非线性有限元计算的庞大数值计算量，设计编写了一种基于消息传递接口(MPI)通信协议的膜索结构并行接触模拟FORTRAN程序，测试了该数值模拟程序的并行计算

3、效率。针对高度折叠的C-9降落伞群伞充气问题，使用PC-Cluster计算机群进行了数值仿真模拟，验证了该接触非线性有限元程序的计算效果，预测了C一9降落伞群伞的接触过程，并分析接触现象对降落伞群伞充气工作的影响。关键词：降落伞群伞；接触算法；非线性分析；并行编程；数值模拟中图分类号：V244．21文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)03—0894—12降落伞是一类非常复杂的大变形非线性柔性结构，结构变形的瞬时性、任意性与流场的复杂非定常分离涡系结构相互作用，给数值模拟降落伞运动

4、规律增加了很多难度[1’3]。降落伞从折叠状态到打开的过程涉及到了织物材料的褶皱、接触与摩擦现象，试验方法在自由投放[41或者风洞试验[5]时往往忽略了接触摩擦瞬时降落伞力学特性的测试。但是对于以集群形式工作的降落伞群，接触现象成为了影响降落伞群伞动力学特性的不可忽略的重要因素，而这方面的实验研究却很少。近年来，使用数值模拟方法预测降落伞力学特性受到了越来越多的重视。国内研究者主要采用二维MSD(Mass—Spring—Damper)模型[6。81或商业软件[9。1叩进行模拟。MSD模型以质量弹簧

5、节点模拟织物材料，简化程度过高，无法模拟折叠状态的褶皱接触过程；商业软件使用显式结构动力学计算，时间步长受稳定性限制，且使用商业软件对降落伞群伞的充气接触问题研究很少。国外对降落伞充气问题的研究除了商业软件[1u以外主要分为两种方法，即改进型三维MSD模型[121和非线性有限元方法L13。1⋯，但是这两种方法都侧重于模拟不带折叠的单独降落伞充气问题。2004年，Xu等[161尝试了降落伞群伞模拟，但没有提出高效的接触搜索算法，也没有使用高度折叠的初始外形分析群伞充气过程。2013年，Bazilev

6、s等[173阐述了其课题组对接触问题的研究探索成果，但依然缺乏对初始高度折叠降落伞群的充气数值模拟。收稿日期：2015—03-27；退修日期：2015-Q6．19；录用日期：2015—08—28；网络出版时间：2015，09．3011：50网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V20150930．1150．014htm*通讯作者．Tel：025·84891023E-mail：jxia@nuaa．edu．cn戮用撂武i樊玉新。夏健．折叠式群伞充气接触的膜索菲线性

7、有限元算法!J]i航空学报．2016．37(3)：894．905．FANYX．XlAJ。Mem．brane—cable-basednonlinearf阳leelementmethodforinflationandcontactproblemoffoldedparachutecluster!JI，ActaAeronau．ticaetAstronauticaSinica，2016，37(3)?894-905．樊玉新，等：折叠式群伞充气接触的膜索非线性有限元算法本文基于膜索结构非线性有限元方法开发了降落

8、伞非定常开伞过程的数值模拟程序，针对降落伞复杂折叠结构和集群结构提出了有效的接触搜索算法和接触切线刚度矩阵计算方法。以此为基础对高度折叠式C一9降落伞群伞的充气过程进行了数值模拟，分析了降落伞群伞充气运动特性。通过本文发展的非线性有限元接触算法可以建立更加复杂但更加贴近真实情况的折叠降落伞群伞结构动力学数值模型，提高降落伞群伞数值模拟的仿真程度，从而更准确地研究降落伞群伞的力学特性。1降落伞膜索非线性结构动力学控制方程使用完全拉格朗日格式描述膜索大变形应力应变系统，根据虚功原理建立