物资超低空空投系统仿真分析

物资超低空空投系统仿真分析

长期以来，由于缺乏系统的精确理论分析，超级空转系统的设计主要依靠设计师的简单数学模型和经验来概述。很难正确评估飞机的安全性，并获得地面影响的负荷。因此，在这项工作中，我们使用了一种模拟的方法来模拟空转过程，从而为评估飞机的安全性和空转系统的减速效果提供了理论依据，从而显著提高了设计效率。1力学模拟的重视基于有限元技术的显示时间积分方法计算流程图如图1所示.空投过程中,特别是着地这一环节是一个非线性的动力响应问题.传统动力学解析的计算方法,不可能对这种复杂过程给出满意的力学模拟;本文利用有限元数值分析的方法,根据由试验和理论方法得到的材料本构关系、摩擦定律以及简化假定,在ANSYS/LS-DYNA软件的计算平台上建立超低空空投数值模拟模型,对空投过程进行计算机数值模拟.这种模型在局部作了必要的简化,在整体上却可以逼近较为精确的解.考虑到超低空空投仿真重点是在出舱和着地,各实体模型(货台、地面、飞机舱板)采用八节点六面体单元进行离散,采用显示时间积分方式进行动态响应计算,货台与舱板的滑移面处理、与地面的接触面处理采用罚函数算法.选择中心差分法为计算积分的方法.2空投模拟描述本文模拟算例条件为:空投货物质量为2t,空投飞机为运八飞机(货舱高度2.25～2.60m),空投高度为5m,牵引伞牵引比(即牵引伞拉力与被牵引货台(含货物)质量的比值)取2.0.计算工况1的空投速度为50m/s;计算工况2的空投速度为80m/s.考虑到空投过程特点及本次仿真主要目的,为降低模拟难度,减少计算时间,对空投模拟作了以下简化说明:a.坐标系方向满足右手定律,原点取在空投时刻飞机舱门处,飞行方向为x正方向,垂直向上方向为y正方向.b.模拟时间从牵引伞张满(拉动货台)到货台在地面停下为止.c.牵引伞不建立有限元模型,而在货物模型上施加一随货物速度变化的载荷,代替牵引伞的牵引力,载荷通过货物中心.d.由于空投高度较低,认为牵引伞的牵引力保持水平方向.且不考虑尾流影响.e.飞机空投时保持水平飞行,货舱地板水平.货物出机后,不考虑地面风影响.f.将货物及货台视为一整体,不考虑系留问题.几何模型为:货台尺寸取4.5m×2.5m(长×宽),是由8#槽钢组成的框架结构,货台框架前端0.5m向上弯曲,成雪橇状.货物为4m×2.5m×2m的长方体.货台框架采用四节点薄壳单元,货物采用八节点六面体单元(图2).2.1建立有限元模型为减少计算时间,根据货台在飞机上的滑行区域,仅对飞机的上下舱板各7m×4m的区域建立四节点壳单元有限元模型.根据对货台落地后滑行距离的推算,取200m～400m×6m的地面区域建模,考虑到着地阶段可能存在侵蚀现象,故地面采用两层八节点六面体单元的模型.所建模型如图2所示.2.2物理模型2.2.1材料本构关系分析的对象为货台(含货物),根据其材料组成将其定义为线弹性材料;地面由于土壤的特殊性,还没有能较好对它进行描述的材料本构关系,经反复试算,定义为双线性随动硬化的各向同性弹塑性材料(见表1).地面土壤参数由中科院岩土力学研究所(武汉)提供的参数推算得出:屈服极限σs=8kPa,强化模量Eρ=800kPa.ρ为密度;E为弹性模量;μ为泊松比2.2.2货台与地面的接触整个空投过程共有两个接触面问题(见表2):a.机内牵引时,货台与舱板的接触;b.落地后,货台与地面的接触.根据设定,货台与货物固连一体,不考虑接触.计算中,针对机内牵引的滑移特点,货台与舱板的接触采用可分离的自动面接触模型;针对着地阶段的高速撞击特点,货台与地面的接触采用侵蚀接触模型.动摩擦系数f是参考中科院岩土力学研究所(武汉)提供的参数2.2.3初始牵引、飞机舱板、飞机舱板速度控制载荷:整个空投过程中,货台(含货物)受20kN的重力,及一个施加在货物重心的牵引水平力,大小随货台速度变化.初始牵引比为2.0.速度:货台(含货物)、飞机舱板有一初始速度,大小由工况确定.边界:飞机舱板的y和z方向位移及转动均加以约束.飞机上,货台重心在距离舱门4m处.地面的x,y,z方向位移及转动均固定.3建模结果分析通过数值模拟,利用动画直观显示不同速度的空投过程,得到了货台的各种参数曲线.图3和图4为工况1的数据曲线;图5和图6为工况2的数据曲线.各工况关键参数如表3所示,其中,t为时间;t1为货台离机时间;t2为货台落地时间;t3为空投总时间;v为空投速度;α为货台离机姿态角(飞行方向与y正方向夹角,逆时针为正);β为货台落地姿态角;Sy为货台y方向位移;S为货台总位移;fx为x货台方向动载;fy为货台y方向动载荷.a.飞机安全性.仿真动画过程显示,机内牵引和货台离机过程顺利,无碰撞现象,通过对货台位移曲线的分析,发现在牵引阶段和离机瞬间,货物上缘因俯仰抬高的幅度不超过0.1m(分别为0.0840m和0.0878m),所以对飞机安全没有影响.牵引比为2.0是可行的.b.空中姿态变化.从动画过程可看出,货台离机后,姿态角呈先增大后减小的趋势,表明牵引力除减速作用外,还起到稳定姿态的作用.c.落地安全性.落地产生的最大过载(40.4g)要小于货台所能承受的最大过载(50g),表明货台落地是安全的.d.与国外资料比,计算模拟出的减速时间较长,减速效果稍差.动画过程显示,不同空投速度下,虽然落地姿态角不大,但货台都有不同程度的落地反弹,速度越大,反弹越明显,甚至还存在多次反弹现象,导致高过载、多峰值、减速效果差.其原因可能有以下几个方面:a.牵引比取得较小,造成着地前水平减速不够;b.空投高度不够低,使冲击力量过大;c.模拟时采用牵引伞单点连接(重心),实际中却使用三点连