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伞衣织物透气性快速预测算法

2019-10-08 点击:
降落伞作为一种高效的气动减速器在航天器再入返回、空降空投、航弹稳定和各类飞行器及部件回收等方面有着广泛的应用。降落伞的性能主要取决于其自身的气动特性,而降落伞的伞衣织物透气性是决定降落伞气动特性的重要因素,它对降落伞的充气时间、开伞动载、稳定性和稳降速度等关键性能指标都有显着的影响[1-3]。例如伞衣透气性过大将使降落伞无法充满,而透气性过小将使降落伞稳定性不足或开伞动载过大。因此,掌握各类降落伞织物的透气性规律对于降落伞的设计选材、改型优化、性能验证等工作具有重要意义。
透气性作为织物材料的一种物理性能一般是由纤维原料、组织结构及整理加工等诸多因素决定的[4]。由于不同的织物材料具有不同的透气性能,因此对于一种具体的织物材料通常给出某一标准试验压差下的透气量(即单位时间内流经织物单位面积的空气量)作为该织物透气性的表征和度量。但是透气量的大小取决于具体的试验压差,仅标准压差下的透气量数据并不能反映织物透气性能的全貌。尤其对于降落伞来说,其充气过程经历较大的压差变化,所以为了完整表征并预测降落伞织物的透气性能,需要掌握织物在一定压差范围内的透气量变化情况,即透气量方程[5]。
伞衣织物的透气量方程大多通过大量的试验并藉由多组压差–透气量数据拟合得到[6-9],相关的预测理论研究则较少。近年来,随着基于任意拉格朗日–欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法的降落伞流固耦合仿真计算技术的成熟与普及,为了能在仿真中考虑实际织物材料的透气性效应从而得到可靠的计算结果,研究人员需要能够快速有效地得到各种伞衣织物的透气量方程。国外最早由 Goglia 等通过大量试验数据的统计分析揭示了伞衣织物透气量方程和多孔介质渗流理论中的 Ergun 公式具有一致的形式[10];文献[11]中 Jason Wang 等人基于 Ergun 公式给出了一种利用织物的透气性曲线(即压差–透气量关系曲线)进行双点估计反算得到透气量方程系数的方法,并在 LS-DYNA 中建立 ALE 流固耦合模型对估算得到的系数进行了验证;随后国内贾贺基于该方法进行了进一步的计算和验证[12]。但该方法本质上是利用多组透气量数据进行曲线拟合,需要事先对伞衣织物进行多组透气量试验才能进行可靠的预测,而目前多数伞衣织物只提供了标准压差下的透气量作为性能参数,因此拟合法就显出其局限性。
本研究首先根据伞衣织物的结构特点,基于 Ergun 透气性理论进行了推导和分析,给出了一种适于降落伞织物的透气性预测算法,该算法可以在缺乏试验数据时仅利用标准压差下的透气量信息来预测织物透气量方程;然后使用该算法对多种国内外常见伞衣织物材料的透气量方程进行了预测并与相应试验数据进行了比较分析;最后将预测结果应用于数值模拟中,基于 ALE 方法进行了织物透气性流固耦合仿真试验,进一步讨论了该预测算法在实际应用中的可靠性和适应性。






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