基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30821

柔性气动减速技术专栏

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基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

李庆军¹, 鲁媛媛², 徐方暖³^,⁴, 王博³^,⁴()

^1.中山大学航空航天学院，深圳 518107
^2.北京空间机电研究所，北京 100094
^3.西北工业大学工程力学系，西安 710072
^4.西北工业大学深圳研究院，深圳 518057

收稿日期:2024-06-13 修回日期:2024-07-19 接受日期:2024-09-26 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-10-15
通讯作者: 王博 E-mail:bowang@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12172282);航天进入减速与着陆技术实验室开放基金;中央高校基本科研业务费专项资金

Fluid-solid coupled dynamic simulations of flexible parachute based on ANCF and SPH

Qingjun LI¹, Yuanyuan LU², Fangnuan XU³^,⁴, Bo WANG³^,⁴()

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Sun Yat-sen University，Shenzhen 518107，China
^2.Beijing Space Mechanics & Electricity，Beijing 100094，China
^3.Department of Engineering Mechanics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^4.Shenzhen Research Institute，Northwestern Polytechnical University，Shenzhen 518057，China

Received:2024-06-13 Revised:2024-07-19 Accepted:2024-09-26 Online:2025-01-15 Published:2024-10-15
Contact: Bo WANG E-mail:bowang@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12172282);Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology;Fundamental Research Funds for the Central Universities

摘要/Abstract

摘要：

针对降落伞在展开后下降过程中，降落伞与空气流场之间的柔性结构流固耦合动力学问题，鉴于绝对节点坐标方法（ANCF）在描述柔性结构大变形问题时，克服了传统有限元建模方法带来的弹性变形与刚性变形强耦合问题，本文基于ANCF建立柔性伞绳和伞衣的力学模型。同时，考虑到光滑粒子流方法（SPH）在流场极大变形时，能够自然地捕获快速移动的界面和自由表面，本文采用SPH模拟空气流场，通过弹簧-阻尼模型描述流体粒子和柔性结构之间的耦合效应，对大柔性降落伞进行流固耦合动力学仿真研究。通过数值试验发现：随着流场速度的增大，降落伞有效面积平均值虽然只出现小幅下降，但随时间变化的幅度显著增加。本文研究结果将为柔性降落伞设计提供理论支撑。

关键词: 降落伞, 流固耦合, 绝对节点坐标方法, 光滑粒子流方法, 动力学

Abstract:

For the dynamic problem of the coupled fluid-structure between the parachute and air flow， and compared with the classic method， the Absolute Nodal Coordinate Formulation （ANCF） can overcome the strong coupling problem of elastic deformation and rigid deformation. In this paper， the method of ANCF is used to build up a mechanical model of flexible parachute rope and canopy. In addition， as the method of Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） can capture the fast-moving interface and free surface when the flow field is greatly deformed， SPH is adopted to simulate the air flow field. The coupling effect between fluid particles and flexible structures is described through the spring-damping model. Fluid-structure coupling dynamics is then conducted to investigate the dynamic behaviours of the flexible parachute. Through the numerical examples， it is found that with the increase of the speed of the fluid， the effective projected area of the parachute is decreased slightly， whereas the variation amplitude of the effective projected area is increased significantly. The findings of this paper are useful for the design of flexible parachutes.

Key words: parachute, fluid-structure coupling, absolute node coordinate formulation, smoothed particle hydrodynamics, dynamic

中图分类号:

V211.3

李庆军, 鲁媛媛, 徐方暖, 王博. 基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630821.

Qingjun LI, Yuanyuan LU, Fangnuan XU, Bo WANG. Fluid-solid coupled dynamic simulations of flexible parachute based on ANCF and SPH[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 630821.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 1

降落伞参数

参数	数值
伞衣边长/m	2
伞衣厚度/μm	50
伞衣密度/（kg·m^-3）	$533$
伞衣弹性模量/MPa	430
伞衣泊松比	0.3
伞衣单元数量	8×8
ON初始距离/m	3
伞绳横截面积/m²	$1.0 × 10 - 6$
伞绳截面二次矩/m⁴	$8.3 × 10 - 14$
伞绳密度/（kg·m^-3）	$462$
伞绳弹性模量/GPa	97
伞绳泊松比	0.3
单根伞绳单元数量	4
流场粒子数量	98 304
流场初始速度大小/（m·s^-1）	$10$
空气初始密度/（kg·m^-3）	$1.18$

表 1

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

参考文献 34

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基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

Fluid-solid coupled dynamic simulations of flexible parachute based on ANCF and SPH

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