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1、空降型車(chē)載炮除了具有性?xún)r(jià)比高,機(jī)動(dòng)性良好等顯著特點(diǎn),還可通過(guò)運(yùn)輸機(jī)以及空投系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)役與戰(zhàn)略機(jī)動(dòng),是世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的武器裝備??胀断到y(tǒng)是空降型車(chē)載炮核心技術(shù)之一,一旦減速系統(tǒng)失效,會(huì)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(jì)與仿真分析是空投系統(tǒng)以及車(chē)載炮設(shè)計(jì)研制階段的一個(gè)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(tái),氣囊等關(guān)鍵部件組成。整個(gè)空投過(guò)程可分為:車(chē)載炮貨臺(tái)從運(yùn)輸機(jī)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(duì)降落傘以及貨臺(tái)進(jìn)行大量流固耦合計(jì)算。仿真分析的困難在于:1)降落傘結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)模式不斷發(fā)生變化2)整個(gè)流固耦合分析的計(jì)算資源消耗巨大,前處理、求解十分困難。針對(duì)上述問(wèn)題,以車(chē)載炮空投系統(tǒng)為研究對(duì)象,本文主要展開(kāi)以下研究工作:
1)在拉直階段主傘的長(zhǎng)度不斷變化,屬于典型的變結(jié)構(gòu)問(wèn)題??紤]傳統(tǒng)索單元只能適用于求解定長(zhǎng)的索結(jié)構(gòu),為了研究降落傘拉出過(guò)程的動(dòng)態(tài)
3、特性,使用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(ANCF)變長(zhǎng)索單元對(duì)主傘進(jìn)行建模求解。在研究中發(fā)現(xiàn),直接使用變長(zhǎng)度單元有可能導(dǎo)致索結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剛性運(yùn)動(dòng)發(fā)散,計(jì)算結(jié)果失效的問(wèn)題。以數(shù)值手段討論分析了變長(zhǎng)索單元計(jì)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(zhǎng)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?chē)諝怦詈献饔?,屬于流固耦合?wèn)題。通過(guò)流固耦合(FSI)分析方法建立軸對(duì)稱(chēng)降落傘充氣模型,即通過(guò)耦合軸對(duì)稱(chēng)ANCF膜單元與不可壓縮納
4、維-斯托克斯方程組對(duì)開(kāi)傘過(guò)程進(jìn)行仿真。通過(guò)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(qiáng)制一階連續(xù)單元(C1連續(xù))避免引入人工阻尼同時(shí)保證解的穩(wěn)定性。對(duì)比數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)二者吻合,且本文提出的建模方法具有簡(jiǎn)單易行,計(jì)算量小等特點(diǎn),并能夠?qū)德鋫闶湛诳刂七^(guò)程進(jìn)行分析,研究其流動(dòng)機(jī)理。
3)在穩(wěn)定階段主傘的彈性變形較小,傘的運(yùn)動(dòng)主要以隨機(jī)載荷影響下的剛性運(yùn)動(dòng)為主,分析中需要?jiǎng)傂越德鋫阆到y(tǒng)在隨機(jī)載荷下的響應(yīng)。由于在
5、穩(wěn)定下降過(guò)程中環(huán)境風(fēng)速對(duì)減速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡以及落地分布有重要影響,并且在設(shè)計(jì)時(shí)很難獲得精確的風(fēng)速數(shù)據(jù),因此建立隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)模型以研究物傘系統(tǒng)的動(dòng)力特性,將風(fēng)場(chǎng)分解為均值風(fēng)場(chǎng)以及陣風(fēng)風(fēng)場(chǎng),將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)列代替陣風(fēng)數(shù)據(jù),通過(guò)蒙特卡羅方法研究隨機(jī)陣風(fēng)條件下降落傘落地分布情況與隨機(jī)陣風(fēng)的關(guān)系。為了避免在解空間遇到奇點(diǎn),提出一種群論積分算子與龍格庫(kù)塔法相結(jié)合的方法,該方法通過(guò)群論積分算子改進(jìn)龍格庫(kù)塔法,改進(jìn)后的龍格庫(kù)塔積分方法在解空間不存在奇點(diǎn),即使積
6、分步長(zhǎng)較大仍能保證旋轉(zhuǎn)矩陣在旋轉(zhuǎn)群中。
4)對(duì)車(chē)載炮貨臺(tái)進(jìn)行流固耦合建模研究。由于在拉直充氣階段車(chē)載炮貨臺(tái)有較大幅度的擺蕩,為獲得空投貨臺(tái)的精確動(dòng)力學(xué)響應(yīng),考慮貨臺(tái)大幅度擺蕩對(duì)空氣產(chǎn)生的非定常效應(yīng),基于平衡點(diǎn)法構(gòu)建了空投吊掛系統(tǒng)多體動(dòng)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(chǎng)模型,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)建立了非定常流動(dòng)作用下的貨臺(tái)-空氣流固耦合分析模型。通過(guò)數(shù)值算例研究:驗(yàn)證了該多體動(dòng)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(duì)平板的作用力,可用于空投貨臺(tái)擺蕩階段的流場(chǎng)分析;對(duì)比指出通過(guò)流固耦合分析得到的非定常流動(dòng)氣動(dòng)力顯示出震蕩特性,而定常流動(dòng)假設(shè)模型會(huì)給貨臺(tái)帶來(lái)類(lèi)似粘滯阻尼的特性,其減速效果要比非定常流動(dòng)模型強(qiáng)烈。
5)對(duì)整體空投過(guò)程進(jìn)行建模仿真。分別對(duì)五個(gè)階段:車(chē)載炮貨臺(tái)從運(yùn)輸機(jī)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(jìn)行分析建模。通過(guò)對(duì)空投過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析,建立相應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程。最后通過(guò)
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