車載炮空投系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算.pdf

1、空降型車載炮除了具有性價比高，機動性良好等顯著特點，還可通過運輸機以及空投系統(tǒng)實現(xiàn)戰(zhàn)役與戰(zhàn)略機動，是世界各國競相發(fā)展的武器裝備?？胀断到y(tǒng)是空降型車載炮核心技術(shù)之一，一旦減速系統(tǒng)失效，會直接影響作戰(zhàn)任務(wù)的成敗。因此空投系統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計與仿真分析是空投系統(tǒng)以及車載炮設(shè)計研制階段的一個非常重要的任務(wù)。
　　空投系統(tǒng)由牽引傘，引導(dǎo)傘，減速傘，主傘，貨臺，氣囊等關(guān)鍵部件組成。整個空投過程可分為:車載炮貨臺從運輸機中拉出階段、主傘拉直階段、主傘

2、充氣階段、穩(wěn)定下降階段以及緩沖著陸階段，其中在拉直、充氣以及穩(wěn)定下降階段需要對降落傘以及貨臺進行大量流固耦合計算。仿真分析的困難在于:1）降落傘結(jié)構(gòu)以及運動模式不斷發(fā)生變化2）整個流固耦合分析的計算資源消耗巨大，前處理、求解十分困難。針對上述問題，以車載炮空投系統(tǒng)為研究對象，本文主要展開以下研究工作:
　　1)在拉直階段主傘的長度不斷變化，屬于典型的變結(jié)構(gòu)問題?？紤]傳統(tǒng)索單元只能適用于求解定長的索結(jié)構(gòu)，為了研究降落傘拉出過程的動態(tài)

3、特性，使用絕對節(jié)點坐標(biāo)(ANCF)變長索單元對主傘進行建模求解。在研究中發(fā)現(xiàn)，直接使用變長度單元有可能導(dǎo)致索結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剛性運動發(fā)散，計算結(jié)果失效的問題。以數(shù)值手段討論分析了變長索單元計算結(jié)果發(fā)散的具體原因和主要發(fā)散現(xiàn)象，并給出了論該變長度索單元的適用范圍。
　　2)在充氣階段主傘的體積發(fā)生巨大變化，與周圍空氣耦合作用，屬于流固耦合問題。通過流固耦合(FSI)分析方法建立軸對稱降落傘充氣模型，即通過耦合軸對稱ANCF膜單元與不可壓縮納

4、維-斯托克斯方程組對開傘過程進行仿真。通過三維有限元模型獲得松弛判斷準(zhǔn)則判斷主傘的張緊狀態(tài)，并采用強制一階連續(xù)單元（C1連續(xù)）避免引入人工阻尼同時保證解的穩(wěn)定性。對比數(shù)值仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)二者吻合，且本文提出的建模方法具有簡單易行，計算量小等特點，并能夠?qū)德鋫闶湛诳刂七^程進行分析，研究其流動機理。
　　3)在穩(wěn)定階段主傘的彈性變形較小，傘的運動主要以隨機載荷影響下的剛性運動為主，分析中需要剛性降落傘系統(tǒng)在隨機載荷下的響應(yīng)。由于在

5、穩(wěn)定下降過程中環(huán)境風(fēng)速對減速系統(tǒng)運動軌跡以及落地分布有重要影響，并且在設(shè)計時很難獲得精確的風(fēng)速數(shù)據(jù)，因此建立隨機風(fēng)場模型以研究物傘系統(tǒng)的動力特性，將風(fēng)場分解為均值風(fēng)場以及陣風(fēng)風(fēng)場，將產(chǎn)生的隨機數(shù)列代替陣風(fēng)數(shù)據(jù)，通過蒙特卡羅方法研究隨機陣風(fēng)條件下降落傘落地分布情況與隨機陣風(fēng)的關(guān)系。為了避免在解空間遇到奇點，提出一種群論積分算子與龍格庫塔法相結(jié)合的方法，該方法通過群論積分算子改進龍格庫塔法，改進后的龍格庫塔積分方法在解空間不存在奇點，即使積

6、分步長較大仍能保證旋轉(zhuǎn)矩陣在旋轉(zhuǎn)群中。
　　4)對車載炮貨臺進行流固耦合建模研究。由于在拉直充氣階段車載炮貨臺有較大幅度的擺蕩，為獲得空投貨臺的精確動力學(xué)響應(yīng)，考慮貨臺大幅度擺蕩對空氣產(chǎn)生的非定常效應(yīng)，基于平衡點法構(gòu)建了空投吊掛系統(tǒng)多體動力學(xué)模型，并采用基于ALE格式的有限體積法建立了空氣流場模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)建立了非定常流動作用下的貨臺-空氣流固耦合分析模型。通過數(shù)值算例研究:驗證了該多體動力學(xué)模型的魯棒性和正確性;明確了層流

7、非定常模型能較好地描述流體對平板的作用力，可用于空投貨臺擺蕩階段的流場分析;對比指出通過流固耦合分析得到的非定常流動氣動力顯示出震蕩特性，而定常流動假設(shè)模型會給貨臺帶來類似粘滯阻尼的特性，其減速效果要比非定常流動模型強烈。
　　5)對整體空投過程進行建模仿真。分別對五個階段:車載炮貨臺從運輸機中拉出階段、主傘拉直階段、主傘充氣階段、穩(wěn)定下降階段以及緩沖著陸階段進行分析建模。通過對空投過程運動分析，建立相應(yīng)過程的動力學(xué)方程。最后通過