基于仿真的重装空投系统的匹配与评估方法研究

第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-120-基于仿真的重装空投系统的匹配与评估方法研究王红岩，郝贵祥（装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）摘要：由于重装空投中不可控因素的影响，采用实装实验的方式进行空投空降车落地过程的研究难于得到有效的结果，仿真技术方式具有较大优势。高原条件下，空气密度和大气压力等条件与平原有较大差异，有必要对缓冲气囊系统的缓冲性能进行重新评估。本文采用有限元方法，结合气体热力学理论，建立重装空投系统的仿真模型，结合装备的试验数据[1]进行了模型的验证，简要分析了重装空投落地缓冲过程的响应特性，研究了空投系统的匹配与评估方法，以高原条件下空投过程中缓冲气囊的缓冲特性为例进行了分析，研究结果对缓冲气囊系统的优化匹配与评估具有一定的参考价值。关键词：空降车空投；匹配；评估；有限单元法；缓冲气囊；高原ResearchonMatchingandEvaluatingforRecoverySystemofAirborneVehicleBasedonFEMWangHong-yan,HaoGui-xiang,,(DepartmentofMechanicalEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)Abstract:Fortheincontrollablefactorsofairdrop,experimentresearchofairdropcushioncouldhardlygetvalidresults.Also,thecostofexperimentcouldbehigh.Sothesimulatingmethodhasmoreadvantage.Onplateau,thedensityandpressureofairisquitedifferentfromthoseofplain.Itisnecessarytoanalyzethecushionprocessofairbagsystem.Inthepaper,combinedwithaerothermodynamics,FEMisusedtoconstructheavyairdropequipmentmodelandairbagsystemmodel.Theresponsesofequipmentaresimulated.Andtheresultsarevalidatedwithexperimentdata.Themethodofmatchingandevaluationforrecoverysystemwasdiscovered.Furthermore,thecharacteristicsofairbagcushiononplateauduringequipmentairdropareanalyzed.Theresultcanbereferencedby第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-121-airbagsystemoptimizationandequipmentdesignrevises.Keywords:equipmentairdrop;matching;evaluating;FiniteElementMethod;airbag;plateau1引言重型空降装备是空降兵部队、陆军应急机动作战部队和边、海防快速部署部队急需的重要装备，是一种具有高战略机动性和突击能力。该重型空降装备的部署与使用将从根本上提高我空降兵部队的地面机动作战和应急机动部队大纵深快速反应、联合作战和应付突发事件的综合作战能力。重型空降装备空投出舱后主要依赖于降落伞系统来保证装备的空降速度和降落姿态控制在一定范围内，落地缓冲系统一般采用自充气式气囊来进一步降低装备的下降速度，减缓落地冲击。无货台式空投系统将伞降系统和缓冲气囊直接安装在空投装备上，具有结构简单、使用方便、缓冲效果好和成本低等特点。目前，国内外对于气囊的研究通常采用三种方法：热力学方法、有限元方法和实验方法。热力学方法是依据气体热力学理论，对气囊压缩过程进行一定的简化，建立相应的理论模型，从而计算得到气囊压缩过程中各参数的变化规律。该方法简便，但无法准确计算气囊变形。有限元方法以热力学方法为基础，对气囊外壁和内部气体建立完整的模型，模型可以适应特殊形状的气囊和不同的气囊外壁材料，也可设置各种不同的气囊工作条件。该方法可以精确计算不同时刻气囊的变形以及变形引起的囊内气体参数变化，计算结果精度较高，但建模复杂。实验方法的优点是结果可靠，通常用于检验计算结果的准确性。重装空投采用的气囊系统复杂，落地缓冲状态多变，冲击过程对空降车具有一定破坏性，若采用实验方法不但费用高昂，而且试验工况难于控制。我军的重型空投装备所采用的空投系统是从乌克兰引进的，国内的研制与使用单位只是从满足战技指标的角度进行考核，而对于该系统的环境适应性和系统匹配方法等方面研究较少，本文采用系统仿真的方法，在所建立的伞降系统和缓冲气囊模型基础上，研究了重型空投系统的匹配设计与评估方法，并以高原地区的空投过程为例，提出重型装备安全空投的解决方案。2缓冲气囊模型及验证2.1解析计算及匹配第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-122-热力学方法是通过研究气囊被压缩过程中内部气体参数的变化来研究气囊对空降车产生的缓冲作用。基于热力学方法，利用MATLAB/SIMULINK软件建立了货台空投系统气囊缓冲过程仿真模型，如图1所示。综合考虑了实际缓冲工作过程中气囊的形变与排气口面积的变化，从而更加有效的模拟了该型缓冲气囊的实际工作特性。在热力学解析计算的基础上，开发了一套用于重装空投的气囊系统匹配辅助设计软件，其结果可以为缓冲气囊的复杂模型建立提供参数。2.2有限元模型建立缓冲气囊模型的建立采用以下基本假设：1、缓冲气囊内各处内压相差不大，因此假设认为气囊内压是均一的；2、气囊壁导热较差，气囊内气体与外部空气热传递小，而且空投装备着陆缓冲过程时间极短，在这么短时间内热传递极小，因此假设气囊内气体是理想绝热的；3、气囊壁为织物紧密编织而成，漏气量极小，因此假设着陆缓冲过程中，空气仅从排气孔流出，即气囊壁不漏气。气囊内能量满足能量平衡方程outinairbagdHdHPdVdE(1)式中E为内能；P为气囊内压；V为气囊容积；Hin为输入的焓；Hout为输出的焓。气囊内气体满足理想气体状态方程[6]nRTPV(2)式中n为气体物质的量；R为理想气体常数；T为理想气体的热力学温度。气囊排气孔排气速率为1ext2112PPPu(3)式中u为排气孔排气速率；γ为比热容比，对于空气有γ=1.4。根据气体状态方程，气囊被压缩时，气囊内的空气压力图1气囊系统匹配设计辅助设计软件设计匹配图气囊性能曲线第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-123-0000mmmVVPPiyy(4)式中Py为气囊内压；P0为标准大气压；V0为气囊容积；Vy为压缩过程中气囊的剩余容积；m0为气囊充满时的空气质量；mi为从气囊流出的空气质量。图2缓冲气囊系统结构图及有限元模型[4]该型缓冲气囊为自充气式，空投时与空降车底部的安装点相连。如图2所示，气囊系统由八个独立的气囊单元组成，每个气囊单元包括一个主气囊和一个体积略小的辅气囊，辅气囊附着在主气囊上，并通过内部的气孔与主气囊相通。气囊设有进气口和排气口。进气口设于主气囊底部以实现系统在下落时气囊的自动充气，当气囊与地面接触后，进气口被封闭，辅气囊在主气囊受压后开始充气。排气口设于辅气囊外侧中部，平时由搭扣贴合，受压后内压克服搭扣的贴合力，排气孔开启并开始泄压，以达到缓冲目的[3]。缓冲气囊为内外两层织物组成薄壁结构。内层由透气量小织物制成，外层由强度较大的织物制成，且具有纵向和横向加强带。内层用于在气囊被压缩时防止和减缓气囊内气体的外图3气囊系统有限元建模流程平面型气囊单室气囊多室气囊气囊系统第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-124-泄，保证一定的内压以起到着陆缓冲的作用；外层用于承受气囊被压缩时内层所产生的较大的内压，避免内层受压时发生爆裂。2.3仿真与实验的对比验证050100150200250300350400-202468ExperimentVelocity(m/s)Time(ms)Simulation050100150200250300350-20246810ExperimentAcceleration(g)Time(ms)Simulation图4空降车速度和加速度曲线根据文献[1]中的相关研究进行了空降车的空投实验，给出了空投落地缓冲过程的质心冲击加速度曲线。本文将仿真数据和实验数据绘制在同一坐标系内。从空降车加速度曲线图4可见，仿真与实验曲线都有共同的特点：存在两个极值，第一个极值小于第二个极值。通过分析可以确定第一个极值是由于在气囊受压过程中，随着空降车和气囊接触面积的增大和气囊内压的逐步增大，空降车所受的反作用力增大。而第二个极值则是在气囊排除大部分气体后，空降车隔着气囊壁与地面发生碰撞产生的。实验与仿真的气囊缓冲时间分别约为210ms和220ms，空降车速度最大值分别为6.94g和7.31g。仿真加速度曲线和速度曲线的变化趋势和曲线特点都与文献中实验曲线符合得较好，与实验数据的误差也在合理范围内。由此可验证仿真模型的正确性和计算方法的精度。3缓冲系统的评估与匹配方法3.1垂降缓冲过程评估本文采用显式时间积分法进行计算，采用中心差分的显式格式，该方法不需要进行矩阵分解或求逆，无须求解联立方程组，也不存在收敛性问题，因此，每个增量步的计算量较小，基本与求解对象的规模成正比，计算求解速度快，其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大小保证时间积分的精度。05010015020025030002468Acceleration(g)Time(ms)050100150200250300-202468Velocity(m/s)Time(ms)第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-125-图5气囊系统缓冲过程及速度、加速度曲线气囊系统受到空投空降车的冲击后，主气囊压力增大，向辅气囊充气。辅气囊中的气量和压力同时增大，达到排气口开启压力后，通过侧面的排气口向大气泄压，冲击能量转化为气体内能和动能。从仿真过程可见，气囊的缓冲效果较好，空降车着陆时无明显“回跳”现象，未发生装备翻倒现象，缓冲加速度指标满足要求，缓冲气囊强度足够，可以满足使用的要求。3.2匹配方法研究对于气囊系统的匹配问题，采用了等效模型的方法进行研究。结合采用拉丁超立方（EULH）实验设计均匀填充设计空间，采用移动最小二乘法（MLSM）建立描述系统特性的“等效响应模型”。结合该模型和遗传算法进行匹配设计的优化研究，其技术流程如图6所示。图6优化匹配与评估的技术流程4应用案例4.1高原空投过程分析在高海拔地区，空气密度、大气压力等条件与平原存在较大差异。对于依靠空气作为工作物质的气囊，其工作特性变化较大。同时，减速伞的减速效果也在很大程度上受到空气密度、大气压力的影响，空降车的落地速度相对于平原也有所加大。所以，在空投使用中考虑通过增加减速伞数量进一步降低空降车着陆时的速度。在高原空投实验中，有时会发生车体倾覆的问题，对于发生倾覆的原因尚不完全明确。基于以上需求，需要针对高原条件的气囊缓冲过程进行研究。本文在基于气体热力学理论建立了高海拔地区的气囊模型，结合空投空降车结构模型，进行了显式有限元分析。第七届中国CAE工程分析技术年会论文集-126-0100200300400500-30369Velocity(m/s)Time(ms)0100200300400500010203040Acceleration(g)Time(ms)空降车速度曲线空降车加速度曲线0100200300400500050100150200250300Energy(KJ)Time(ms)0100200300400500