无限质量降落伞充气动力学数值模拟

为分析降落伞火星再入环境下的超声速开伞性能,基于任意欧拉-拉格朗日罚函数法和多介质任意拉格朗日欧拉算法,求解可压缩流场与降落伞结构的耦合动力学模型。数值模拟盘缝带伞超声速开伞过程外形变化,预测气动力作用下的伞衣织物三维结构动力学行为。结合风洞试验数据,对比分析降落伞开伞性能和前置体对伞衣充气外形的影响。最终给出超声速伞周围非稳态流场的尾流和激波分布。仿真结果表明:盘缝带伞在超声速开伞过程中被完全充满且充气效果良好,未出现塌陷情况;随着来流马赫数的增加,降落伞阻力系数逐渐减小,充气时间缩短。仿真结果与试验结果保持一致,验证了所提方法的有效性。     

降落伞充气过程中“瓶颈”效应

以大型伞或特大型伞为研究对象,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法模拟某载人飞船主伞(环帆伞)在无限质量情况下的充气展开过程。计算获得了充气过程中,伞衣外形和流场之间的动态关系,数值模拟出非对称充气、伞顶甩打等不良充气现象,提出了充气过程存在"瓶颈"效应,通过大量的实物试验验证该效应的存在。通过结果分析发现"瓶颈"效应实质是由于伞衣面积大,伞衣结构复杂或开伞速度过大导致气团进入伞体受阻造成的,但其产生的具体必要条件尚有待进一步研究。结论对了解降落伞工作机理,防止开伞失效有重要意义。     

降落伞主充气阶段数值模拟

建立了降落伞主充气模型。前体、伞绳及伞衣离散为一系列弹性连接的质量节点,伞衣内部流场为二维无粘、不可压流。利用模型计算了主充气阶段伞衣形状变化、伞衣投影面积变化及伞绳张力。计算结果与试验结果进行了比较,相当吻合。     

有限质量降落伞充气动力学数值模拟

为研究空投任务中降落伞有限质量充气过程的动力学行为,基于罚函数耦合方法和网格自适应技术分析了降落伞柔性结构与周围不可压缩流场的流固耦合特性。数值模拟开伞过程伞衣三维外形变化,获得降落伞系统下落速度、阻力面积等参数;对比分析初始投放速度对降落伞开伞时间、伞衣阻力面积的影响;通过试验数据对比分析开伞力变化。计算结果表明,该方法可以有效模拟降落伞系统有限质量充气过程的动力学特性,仿真结果与试验结果相符。     

泵转子流固弱耦合计算与分析

为了探索流固弱耦合计算在推进泵上应用的可行性和有效性,完成了某转子静强度、动强度和振动模态计算与分析。首先,完成泵稳态和瞬态流场CFD计算,提取水动力载荷数据;然后,采用流固弱耦合方法对结构完成稳态和瞬态计算,提取静应力和动应力以及最大变形,校核静强度和动强度;最后,完成流固耦合条件下转子模态分析,得到模态频率和特征振型。结果表明：转子叶片最大应力位于叶根处、最大位移位于叶梢截面近随边处;转子叶片应力满足材料的强度要求,变形量小于叶顶间隙值;湿模态振型与干模态基本一致,但振型幅值明显降低、模态频率降低。该流固弱耦合计算方法能够用于泵转子结构设计与振动谐响应分析,有助于提升设计质量。     

大型降落伞拉直过程中的抽打现象分析

针对某大型降落伞回收系统主伞拉直过程中出现的抽打现象进行了分析,根据其拉直过程的特点将其划分为五个阶段,分别建立了各阶段的实体模型和约束模型,通过模型的组合建立了各阶段的多体动力学模型,将各阶段模型连接进一步组成该型号大型降落伞拉直全过程的动力学模型。仿真分析了该型号大型降落伞出现抽打现象时的伞衣位形、顶部伞衣速度、伞绳和伞衣的偏离距离以及张力的变化,总结了抽打现象形成时的一些特征数据,分析结果可为大型降落伞设计、改进、使用等提供参考。     

牵顶伞对大型降落伞抽打现象的作用

对某大型降落伞系统的拉直过程进行多阶段、多有限段和多自由度的动力学建模。通过仿真研究了牵顶伞和剥离带等改进措施对主伞拉直后伞衣抽打现象影响,重点分析比较了带与不带牵顶伞时伞衣位形、抽打速度、偏离距离等参数的变化,分析结果可为大型降落伞的工程设计、改进和使用提供理论支持。     

不同填料旋转床功耗与气体压降特性对比研究

采用同心环波纹碟片填料和不锈钢波纹丝网两种填料,在气液逆流CO2吸收操作时,对旋转床的功耗及气体压降进行了对比实验分析。功耗特性对比结果表明,当液流量不变,旋转床转速低于38 rad/s时,丝网填料旋转床吸收器消耗的功率大于碟片填料旋转床吸收器消耗的功率;转速高于38 rad/s时则相反。气体压降特性对比结果表明,在液流量和旋转床转速不变的操作条件下,碟片填料旋转床的气体压降要大于丝网填料旋转床的气体压降约50 Pa;在气流量和转速不变的操作条件下,当液流量较小时,丝网填料旋转床的气体压降大于碟片填料旋转床的气体压降;当液流量较大时则相反。在相同气流量和液流量下,碟片旋转床气体压降要大于丝网填料旋转床气体压降。研究结果为AIP系统旋转床吸收器的填料优选及全系统的优化设计提供了重要的依据。     

带有损伤凹陷的环肋圆柱壳应力和稳定性分析

为探寻局部受损伤潜艇结构的承载能力,以出现较大损伤变形的环肋圆柱壳舱段结构为研究对象,"涡形凹陷"作为损伤变形的典型形状,运用MSC/NASTRAN软件计算了这种结构在静水外压作用下的应力分布和失稳临界压力。结果表明:带有损伤凹陷的环肋圆柱壳与完好状态环肋圆柱壳相比,最大应力值提高,失稳临界压力值下降,应力的改变对环肋圆柱壳承载能力的影响更大;相同凹陷幅度下,损伤凹陷中心在肋骨位置时,对圆柱壳应力状态和稳定性的影响最为恶劣。肋骨分别采用梁单元或壳单元两种建模方式时,得出的应力和失稳临界压力变化规律一致,采用梁单元建模得出的肋骨应力偏安全。     

高超声速飞行器前缘流-热-固一体化计算

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结构温度场耦合交替迭代计算所带来的大量数据交换与计算,将流场与结构温度场作为一个物理场,采用统一的控制方程进行求解。采用典型高超声速绕流二维圆管稳态或非稳态流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,稳态时圆管驻点温度最高达到648 K,非稳态时的热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,由此证明了该方法的可靠性和正确性。与耦合计算方法的对比分析结果表明:该一体化求解方法所得计算结果更接近实验值,并且计算量和网格依赖性都相对较小,具有更好的稳定性和计算精度,能为高超声速飞行器一体化热防护设计提供有效的理论和技术支撑。     

利用循环网络的降落伞开伞载荷补偿方法

为了对降落伞充气展开过程中的开伞载荷进行更加准确的预测,提出一种基于循环神经网络的开伞载荷补偿计算方法,包括模型架构和数据处理方式。该方法将充气时间法计算的预测值代入循环网络进行二次计算,使最终结果能够更加贴近试验真值。使用多层前馈网络、标准循环网络与长短时记忆网络三种网络进行比较,验证了所提模型预测结果的适用性和准确性,研究了学习率、输入层维度和隐层维度等超参数对模型性能的影响,并给出了基于长短时记忆网络的补偿模型最优训练条件。实验结果表明,利用循环网络进行开伞载荷预测具有较好的拟合结果,为机器学习与降落伞工业的学科交叉研究提供了一定的参考方向。     

微型导弹柔性充气翼结构设计与力学变形仿真

以NACA2412为基准翼型设计充气弹翼,采用柔性蒙皮应力分析理论并根据弹翼蒙皮材料强度极限理论建立考虑分布质量影响的改进应力表达模型,据此得到柔性薄膜弹翼允许充气压力范围。分析结果发现:柔性弹翼充气单元尺寸越小,相应的充气压力允许范围越大。采用ABAQUS/CAE软件以不可压缩壳单元仿真柔性充气弹翼在不同充气压力条件下的变形情况,发现非对称翼型充气后中间下凹的翘曲方式并确定柔性蒙皮的危险点,利用翼面典型线分析了充气翼局部力学变形特性。进一步对充气弹翼进行表面覆膜改进分析,获得了良好的结构力学性能改进效果。     

基于正交试验的大型降落伞开伞冲击载荷影响因素分析

对大型伞开伞过程冲击载荷的影响因素灵敏度进行研究.采用充气时间法对降落伞的充气过程进行建模,并运用正交试验设计方法设计了数值试验来分析初始条件、回收物参数、减速伞参数、主伞参数和环境条件等21个影响因素对主伞和减速伞的2次开伞力峰值、主伞开伞时刻动压等5个指标的影响及灵敏度.通过对比4组不同初始条件的数值试验结果,提出了影响减速伞和主伞开伞冲击载荷的主要因素,并具体分析了各个因素的影响方式.     

载人航天器低空救生仿真

在载人航天器低空救生中,回收系统开伞点的初始状态参数如速度、离地面高度、弹道倾角对返回舱能否安全着陆有很大影响.与正常返回类似,低空救生中的回收系统同样经过多级伞的拉直、充气、全充满等运动过程.通过建立回收系统着陆过程的动力学模型,经过大量仿真对比分析,得到开伞点离地面高度为低空救生中返回舱安全着陆的首要因素,同时对低空救生中回收系统多级伞开伞减速过程有了详细的分析.     

伞衣优化设计对群伞系统气动特性的影响分析

随着载人航天、深空探测等航天任务的蓬勃发展,航天器回收载荷质量大幅提高,以单具降落伞为功能核心的传统减速系统已不能满足大质量回收载荷日益提高的迫切要求,发展群伞减速着陆系统是实现大载重航天器高效减速和无损着陆要求的发展方向。本文采用数值模拟手段对群伞系统的气动特性开展仿真研究,结合环帆伞构型优化设计,分析了多种构型下群伞系统的气动特性。通过对仿真结果进行流场分析和数据对比发现,开窗/开缝设计既能够确保群伞系统具有良好的阻力特性,又能够维持群伞系统的工作稳定性,避免单伞之间由于受力而发生碰撞现象。采用数值仿真手段不仅可以提高降落伞研制效率,降低研发成本,也为设计人员掌握群伞系统的工作原理、促进降落伞设计理论发展提供了有力保证。     

剪切来流条件下的涡生振荡机理的数值研究

将指数极坐标系建立在运动的圆柱上,推导了运动坐标中剪切来流条件下,涡生振荡的涡量-流函数守恒方程及其初始和边界条件,圆柱表面的水动力表达式以及圆柱振荡方程。对圆柱从静止开始振荡,到发展为稳定振荡状态进行了计算和讨论,描述了脱体涡街的发展过程,升阻力相图的连续变形和漂移,圆柱振荡和平衡位置的变化过程。并研究了涡生振荡终态随剪切度K的变化。结果表明,剪切来流给流场加入了背景涡,使圆柱的上涡增强而下涡减弱,流场的对称性被破坏。随着剪切度K的增大,涡街的倾斜程度增大,压力曲线的漂移量增大,由此导致升力的绝对值增大,圆柱的振幅增大且平衡位置向圆柱下侧的漂移也越大。     

充气式防热罩再入轨道设计

充气式防热罩是最近几年才出现的新型航天回收技术 ,为各种轨道航天器的回收提供了简单、可靠、经济的途径 ,有望逐渐取代降落伞在回收系统中的地位。合理选择防热罩外形 ,用CFD方法计算了防热罩以亚、跨、超声速飞行时的阻力特性 ,并与工程估算方法作对比。分别采用单次和二次充气方案 ,完成了 90kg货舱安全着陆的再入轨道设计。在对两种充气减速方案的再入轨道进行比较分析之后指出 :对于回收同样重量的货舱 ,二次充气方案在保证减速效果的前提下大幅度减轻了防热系统设计的负担 ,是理想的ITS再入减速方案