物-傘多體系統動力學與相似性研究

《物-傘多體系統動力學與相似性研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由唐乾剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：物-傘多體系統動力學與相似性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：唐乾剛
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

降落傘工作過程包括拉直、充氣和穩定下落階段，具有複雜的動力學特性，涉及到多體系統、變結構、柔性大變形及流固耦合等時變非線性動力學。目前理論研究不足，因而造成設計分析中某些致命性缺陷往往造成來工程套用中災難性的故障。申請者擬在神舟飛船降落傘回收系統動力學研究成果的基礎之上，利用合作單位的高空投放及地面開傘試驗平台，重點研究物-傘多體系統的動力學特性。研究內容包括：傘繩和傘衣拉出傘包過程的變質量動力學機理；基於柔性部件的粘彈性體本構模型，開展降落傘充氣過程的流固耦合機理研究；進行物-傘系統穩降過程的多體動力學建模和穩定性研究；基於量綱分析法推導多體系統相似性準則，建立物-傘系統相似模型，開展縮比試驗研究。通過本項目的研究，不僅可以完善降落傘系統的基礎理論研究水平，提高分析預測降落傘系統的故障現象的水平，還可以推動繩索動力學、空間充氣結構動力學、流固耦合動力學等複雜機械系統動力學的發展。

結題摘要

物傘系統是降落傘減速回收技術中的主要研究對象，隨著航空航天技術的高速發展，各類新型的減速任務對物傘系統的功能性和適用性提出了更高的要求。本項目從多學科耦合的角度開展物傘系統動力學仿真和試驗研究。（1）研究了基於任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）方法的流固耦合技術。闡述了複雜降落傘結構特點並給出了用於降落傘充氣仿真的初始摺疊模型參數化建模技術，實現了降落傘充氣過程的流固耦合計算。（2）針對低速空投任務中的降落傘有限質量充氣問題進行了數值仿真研究。建立了複雜開縫救生傘的有限元模型，數值模擬充氣下落過程傘衣外形變化，對比試驗結果分析降落傘充氣性能，研究傘衣周圍流場衍變機理和流固耦合特性，得到傘衣織物結構動力學回響規律，仿真結果為降落傘設計和傘型開發提供理論依據和數據支撐，具有較強的工程套用性。（3）結合風洞試驗數據，研究了火星降落傘超聲速充氣過程動力學特性。基於時空守恆元解元（Conservation Element and Solution Element，CESE）方法和結構力學求解方法（Mechanical Solver）建立了流固耦合平台，分析了超聲速降落傘的減速阻力特性。（4）套用有限質量充氣的ALE流固耦合方法仿真了不同開傘工況下的開傘過載和吊帶張力曲線，對不同高度速度條件下救生傘的開傘動載及乘員損傷機率進行仿真評估，分析救生傘開傘衝擊對人體的影響。（5）對火星探測任務中物傘多體系統的動力學相似性準則和縮比試驗進行了研究。驗證了物傘縮比試驗系統的適用性和動力學模型的有效性。（6）對火星探測的進入、減速和著陸（Entry，Descet and Landing, EDL）全過程進行了集成仿真研究。本項目圍繞物傘系統減速工作過程的相關耦合動力學問題，研究了物傘系統的流固耦合方法、多體動力學方法和多學科集成仿真技術，對於發展航空航天領域的降落傘回收技術具有重要意義和工程價值。