物-伞多体系统动力学与相似性研究

Parachute's working process is a highly sophisticated dynamic problem, which is involved with the nonlinear characteristics of time-varying structure, large deformable and fluid-structure interaction. Due to the lacking of theoretical research, which could make the deadthful defects in design and analysis, and then bring catastrophic erros into the engineering applications. The applicant proposes to investigate the flexible multi-body dynamics of parachute by taking advantage of previous research on the parachute recovery system's dynamic achievements of "SHENZHOU" spaceship as well as utilizing the high altitude airdrop and wind-tunnel tests on ground. The research content are scheduled as below:investigating the mass-varying dynamic mechanism of parahcute ropes and canopys deploying from bag;basing on the visco-elastic body material models and ALE finite element method, the fluid-structure interactions(FSI) dynamic models can be built during inflation process of parachute, and the inflation characteristics like opening time and forces can be preditcted; carrying out the reasearch of similarity rules of multi-body systems; modeling the dynamics of parachute-body system during terminal descent process, and analyzing the riding stability. This reasearch project would benefit the improvement of parachute's basic theroy, prediction of parachute's error occurrences, as well as development of the space deployable structure dynamics and FSI dynamics.

降落伞工作过程包括拉直、充气和稳定下落阶段，具有复杂的动力学特性，涉及到多体系统、变结构、柔性大变形及流固耦合等时变非线性动力学。目前理论研究不足，因而造成设计分析中某些致命性缺陷往往造成来工程应用中灾难性的故障。申请者拟在"神舟"飞船降落伞回收系统动力学研究成果的基础之上，利用合作单位的高空投放及地面开伞试验平台，重点研究物-伞多体系统的动力学特性。研究内容包括：伞绳和伞衣拉出伞包过程的变质量动力学机理；基于柔性部件的粘弹性体本构模型，开展降落伞充气过程的流固耦合机理研究；进行物-伞系统稳降过程的多体动力学建模和稳定性研究；基于量纲分析法推导多体系统相似性准则，建立物-伞系统相似模型，开展缩比试验研究。通过本项目的研究，不仅可以完善降落伞系统的基础理论研究水平，提高分析预测降落伞系统的故障现象的水平，还可以推动绳索动力学、空间充气结构动力学、流固耦合动力学等复杂机械系统动力学的发展。

物伞系统是降落伞减速回收技术中的主要研究对象，随着航空航天技术的高速发展，各类新型的减速任务对物伞系统的功能性和适用性提出了更高的要求。本项目从多学科耦合的角度开展物伞系统动力学仿真和试验研究。（1）研究了基于任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）方法的流固耦合技术。阐述了复杂降落伞结构特点并给出了用于降落伞充气仿真的初始折叠模型参数化建模技术，实现了降落伞充气过程的流固耦合计算。（2）针对低速空投任务中的降落伞有限质量充气问题进行了数值仿真研究。建立了复杂开缝救生伞的有限元模型，数值模拟充气下落过程伞衣外形变化，对比试验结果分析降落伞充气性能，研究伞衣周围流场衍变机理和流固耦合特性，得到伞衣织物结构动力学响应规律，仿真结果为降落伞设计和伞型开发提供理论依据和数据支撑，具有较强的工程应用性。（3）结合风洞试验数据，研究了火星降落伞超声速充气过程动力学特性。基于时空守恒元解元（Conservation Element and Solution Element，CESE）方法和结构力学求解方法（Mechanical Solver）建立了流固耦合平台，分析了超声速降落伞的减速阻力特性。（4）应用有限质量充气的ALE流固耦合方法仿真了不同开伞工况下的开伞过载和吊带张力曲线，对不同高度速度条件下救生伞的开伞动载及乘员损伤概率进行仿真评估，分析救生伞开伞冲击对人体的影响。（5）对火星探测任务中物伞多体系统的动力学相似性准则和缩比试验进行了研究。验证了物伞缩比试验系统的适用性和动力学模型的有效性。（6）对火星探测的进入、减速和着陆（Entry，Descet and Landing, EDL）全过程进行了集成仿真研究。本项目围绕物伞系统减速工作过程的相关耦合动力学问题，研究了物伞系统的流固耦合方法、多体动力学方法和多学科集成仿真技术，对于发展航空航天领域的降落伞回收技术具有重要意义和工程价值。