基于LS-DYNA的三维翼伞参数化建模仿真研究

基于LS-DYNA的三维翼伞参数化建模仿真研究许望晶;滕海山【摘要】The aerodynamic performance numerical simulation study of parafoil is mostly restricted to the 2D aerofoil profile or the 3D numerical simulation in which the canopy is basically assumed to be rigid, and thus accurate aerodynamic performance parameters can’t be obtained, for engineering research. In order to im-prove the parafoil simulation accuracy and efficiency, based on APDL, parametric 3D geometric models of pa-rafoil with the cutter of the front edge are built and are meshed automatically to generate the finite element models, and then aerodynamic performance considering canopy flexible can be acquired by using the LS-DYNA. The 3D-parafoil parameterization design and simulation platform are established by the use of MATLAB GUI and are validated, the results show that the parafoil aerodynamic performance simulation para-meters coincide with the experimental data, which indicates the platform has a certain feasibility.%目前对翼伞气动性能的仿真研究大部分局限在二维翼型剖面或者不考虑伞衣柔性的三维数值仿真研究，因而无法获得较准确的翼伞气动性能参数，不能为工程研究提供借鉴和依据。

为了提高翼伞仿真的准确性和效率，文章结合翼伞的设计流程，基于APDL（ANSYS Parametric Design Language）语言对翼伞进行参数化几何建模，生成带前缘切口的翼伞三维几何模型，并自动划分网格生成有限元模型，再利用LS-DYNA求解器进行流固耦合求解，由于仿真求解中考虑了伞衣柔性，因而获得更准确的翼伞气动性能参数。

基于MATLAB的GUI（Graphic User Interface）模块建立翼伞参数化设计、仿真平台，并进行了验证，翼伞气动性能仿真参数与翼伞试验数据基本吻合，说明该平台具有一定的可信性。

【期刊名称】《航天返回与遥感》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】9页(P11-19)【关键词】三维翼型;参数化建模;LS-DYNA软件;仿真平台;翼伞【作者】许望晶;滕海山【作者单位】北京空间机电研究所，北京 100094;北京空间机电研究所，北京100094【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言翼伞是根据飞机翼型产生升力的原理制作的一种降落伞，具备优良的滑翔性能、良好的稳定性和操纵性，可用于人员空降、航天器回收、无人机着陆、武器装备精确空投等多种应用领域，是回收着陆专业很有发展前途的一种型式[1]。

翼伞气动性能的研究一直是翼伞研究的热点和难点。

美国从20 世纪60 年代开始对翼伞进行了大量风洞试验研究[2]，并于 80 年代做了大量空投试验，进一步推动了翼伞技术的发展。

随着计算机技术和计算流体力学的飞速发展，对翼伞进行数值仿真研究越来越深入。

Mittal等对带前缘切口的二维翼型剖面进行了数值模拟，得到了不同雷诺数下的升阻特性[3-4]；Mohammadi和Johari用Fluent软件分析了Clark Y二维翼型的气动特性，考虑了前缘切口，但未考虑柔性，并给出了内外流场特点[5-6]；C. Ibos等利用SINPA（numerical simulation of parachutes）软件采用非结构化网格的方法对三维翼伞的工作过程进行了数值模拟[7]，得到了绕伞衣工作时的速度、压力分布情况；李扬对二维翼伞剖面进行了模拟[8]，研究了翼伞非定常气动特性和表面涡脱落的周期性变化，所采用的计算模型未考虑前缘切口和翼伞的柔性；李健针对二维翼型剖面研究了切口角度和高度对翼型剖面气动特性的影响[9]，模型未考虑翼型的变形及翼型的内压；韩雅慧研究了有切口无气室、有气室无小孔和有气室有小孔3种翼伞表面光滑情况下以及翼伞表面不光滑处理后的气动力特性及绕流流场[10]，但是未考虑翼伞的柔性。

朱旭等计算了翼伞平面形状对翼伞气动性能的影响，详细分析了翼伞弧面下反角、翼型和前缘切口对翼伞气动性能的影响[11-12]，翼伞模型均未考虑翼伞的柔性变形。

由于翼伞柔性结构大变形的高度非线性和周围空气流场的高度复杂性，目前国内尚无系统的气动力数据库可供参考，同时国内对翼伞气动力的研究还非常少，而且大部分局限在二维翼型剖面，三维数值仿真的成果也不多，且基本上把翼伞伞衣当成刚性处理，更没有形成翼伞参数化设计流程。

虽然LS-DYNA在降落伞的流固耦合仿真中应用较多，但由于翼伞结构以及受力情况的复杂性，在国内外公开的文献中很难找到使用LS-DYNA对翼伞进行气动性能仿真的相关研究。

本文尝试建立翼伞参数化建模流程，使用LS-DYNA对翼伞进行流固耦合仿真获得其气动性能参数，并与试验数据进行对比。

本文结合翼伞的设计流程[13]，基于APDL（ANSYS Parametric Design Language）语言对翼伞进行参数化几何建模，生成带前缘切口的翼伞三维几何模型，并自动划分网格生成有限元模型，再利用LS-DYNA求解器进行流固耦合求解，并在仿真求解中考虑了伞衣柔性，因而获得更准确的翼伞气动性能参数。

同时为了使整个仿真过程尽量简洁、便捷，基于MATLAB的GUI（Graphic UserInterface）模块开发了集成平台的图形用户界面，从而提高了仿真的品质和工作效率。

1 翼伞稳态仿真冲压式翼伞的典型工作过程包括充气、稳定滑翔和机动降落三个步骤[14]，其中绝大部分的工作时间处于稳定滑翔阶段，因此翼伞在这个阶段的气动力特性是翼伞总体设计的重点，若能通过仿真获得该阶段翼伞的气动力参数，将为翼伞总体设计提供重要依据。

因此针对这一阶段进行翼伞仿真流程的初步构建，在此基础上利用该流程对数值算法的关键参数进行调整和优化，形成具有较强稳定性和可靠度的翼伞仿真流程，获得翼伞的气动性能参数，为翼伞总体设计提供了借鉴和依据。

将通用仿真流程[15]应用在翼伞仿真进行优化后，得翼伞仿真流程如图1所示。

图1 翼伞仿真流程Fig.1 Parafoil simulation flow chart1.1 模型假设与初、边值条件翼伞稳降速度在周围大气参数不发生变化的条件下是定值，因此可利用低速风洞模拟翼伞在这种状态下的运动过程，进而可设置合适的仿真参数来对相应风洞试验进行仿真模拟，在稳态仿真中，参照风洞试验的常见装配方式直接将伞绳端点固定在流场中。

对于翼伞结构建模，本文采用简化合并的思路，将翼伞上下翼面及翼肋这一类面积较大的织物结构抽象定义为伞衣结构，材料属性简化为双向异性的复合材料薄膜结构，保留伞衣加强带，伞绳简化为上下支伞绳和上下支操作绳，其材料属性都简化为单向受拉的索结构。

翼伞稳态阶段的速度远低于声速，因此整个流场仿真的速度区间为低速段，可采用不可压缩流场进行模拟。

流场设计为长方体，流体入口面和出口面分别设置为压强入口和压强出口，都具有恒定的状态参数值，同时在出口面添加无反射约束，用于模拟远场状态。

稳态仿真是对风洞试验的模拟，考虑到仿真试验具备消除壁面对流体剪切作用的功能，能使仿真结果与翼伞置于无限大流场的情形更为接近，因此将流场的壁面设置为滑移、无反射条件。

流场域初速度统一设置为入口处约束速度值的流场初始条件设置方法，即保持流体入口面一直有一个恒速的来流。

1.2 几何建模1.2.1 参数化几何建模设计模块对翼伞进行几何建模首先需要确定翼伞的翼型，本模型翼伞的翼型采用Clark-Y型[16] 。

为了方便对翼伞模型进行修改，本文基于APDL语言对翼伞进行参数化几何建模。

（1）翼伞的基本参数翼伞基本参数有：翼伞名义面积S，展弦比A，绳展比r，窄气室的个数Nn和宽气室的个数Nw，上翼面窄、宽气室的宽度Wn和Ww，翼伞安装角φ。

翼伞模型的弦向和展向示意如图2～3所示，图中R为伞绳特征长度，ai、bi、ci、di、ei、fi、gi、hi、ki、li为翼伞几何建模中的关键点。

通过这些关键点连成线，再形成面，即可建立起翼伞的几何模型，根据这些关键点、线、面的几何关系进行有规律的编号，便可形成参数化建模。

图2 翼伞弦向示意Fig.2 The parafoil chordwise diagram图3 翼伞展向示意Fig.3 The parafoil spanwise diagram翼伞最边上翼肋与中间对称翼肋的夹角θ为：式中 R1为伞绳交汇点与上翼面的垂直距离。

相邻窄气室间的夹角ε为：相邻半宽气室间的夹角γ为：通过上面的参数以及几何关系可算出图中翼伞翼肋上各点的坐标值。

（2）伞衣加强带参数伞衣加强带参数包括：上翼面加强带的个数、下翼面加强带的个数、上翼面加强带距上翼面前缘点的距离占整个上翼面线的比例、下翼面加强带距下翼面前缘点的距离占整个上翼面线的比例（不包括翼伞上下翼面前后缘的加强带）。

（3）伞绳及操纵绳相关参数伞绳及操纵绳相关参数包括：上下支伞绳交汇点距下翼面的距离、上下支操作绳交汇点距下翼面的距离、上支操纵绳的个数、相连接气室的编号以及相连接的最大气室编号。

基于以上的设计模块，明确了翼型以及相关的翼伞参数，便可以通过APDL命令流采用自底向上的建模方法编写翼伞参数化几何建模程序，即从关键点开始依次建立模型的点、线、面和体。

整个过程的关键和难点在于规划好各结构占用的系统资源，即模型中点、线、面和体的编号以及编号与翼伞参数之间的关系，以实现对这些结构的高效调用[17]。

本参数化翼伞模型是基于Clark-Y翼型进行建模的，翼肋开孔，小型翼伞气室宽度相等，而大型翼伞为防止两端气室塌陷，一般两端为窄气室，中间为宽气室，对大小型翼伞的这点区别在编程中进行了考虑。