[发明专利]一种基于无网格流固耦合的降落伞分析方法

说明书

本发明公开了一种基于无网格流固耦合的降落伞分析方法，该方法首次利用SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）模拟风洞中恒速气流，并结合降落伞有限元模型进行流固耦合分析，有效解决了现有基于网格流固耦合分析方法计算效率低下和耦合信息无法实时交互问题。同时也解决了SPH无法模拟恒速风洞的难题。通过本发明可以获得瞬时伞衣结构和流场变化结果。本发明方法同样可以应用于其他工程织物的程织物的数值研究，对气囊、气球伞等充气织物展开过程数值研究提供了一种新的方法。

技术领域

本发明涉及一种基于无网格流固耦合的降落伞分析方法，属于航空救生技术领域。

背景技术

降落伞作为一种充气织物由于质量轻，易折叠等特点被广泛应用于航空救生、航天减速等领域。降落伞性能是否满足设计要求将直接关系到人员或整个系统的安全。

目前，降落伞性能分析主要有试验方法和数值方法。试验方法需要花费大量人力、物力和财力，此外，由于试验数据采集较为困难，试验方法很难揭示其力学机理。而数值方法由于经济性、可重复性等特点已经成为降落伞性能分析的重要手段。

目前，工程中使用最多的流固耦合分析方法主要是ALE(Arbitrary Eulerian-Lagrangian)方法(可以参考：程涵，余莉，李胜全.基于ALE的降落伞充气过程数值仿真.南京航空航天大学学报,2012,44(3):290-293.或Han Cheng,Xinghua Zhang,Li YU.Studyof Velocity Effects on Parachute Inflation Performance Based on Fluid-Structure Interaction Method.Applied Mathematics and Mechanics(Englishedition),2014,35(9):1177-1188.)。但ALE分析方法需要在每一个时步，对流场网格进行重构，并进行流场信息的更新，这大大增加了计算分析时间，不利于工程设计的广泛使用。

而SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法作为一种无网格方法具有传统网格方法所没有的优点，由于SPH近似方法的自适应性质，SPH公式构造不受粒子分布的随意性所影响，因此可以很自然地处理一些具有极大变形问题，如流固耦合问题(可以参考：林晓东,卢义玉,汤积仁等.基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟.振动与冲击.2014,33(18):170-176.或卢鸣飞,华诚.基于FEM-SPH耦合算法的飞机水上迫降的力学建模与分析.复旦学报(自然科学版).2013,52(5):583-591.)。但SPH方法也存在边界处理困难的问题，很难模拟风洞中恒速气流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无网格流固耦合的降落伞分析方法，采用相对压力描述气体及局部计算域的技术，将SPH方法应用于降落伞数值分析，同时解决现有SPH计算无法模拟风洞的难点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于无网格流固耦合的降落伞分析方法，包括以下具体步骤：

步骤1，根据降落伞实物建立等比折叠状态有限元模型，其中，伞衣采用三角形单元划分，加强带及伞绳采用杆单元划分；

步骤2，建立计算域和非计算域，定义计算域与非计算域相连的面为流场域进口，计算域中与流场域进口相对的面为流场域出口；

步骤3，在计算域与非计算域内建立流场光滑粒子流体力学SPH粒子模型，其中，SPH粒子模型和降落伞网格相互穿插，且伞衣位于计算域内；

步骤4，定义基于相对压力描述的气体状态方程，间接解决流场压力出口边界问题：