流固耦合分析新视角：降落伞充气过程的精准模拟

引 言

降落伞的充气展开过程具有极为复杂的动力学特征，它涉及到流体力学、结构力学等诸多学科。降落伞的工作过程主要有拉直、充气和稳定三个阶段。在充气过程中，伞衣的结构大变形与伞衣周围流场变化的相互耦合是十分复杂的。因此，想要通过理论模型求解该过程是非常难以实现，而数值仿真技术将提供较好的解决思路。

降落伞的数值模拟是典型的流固耦合问题。解决该问题的主要思路是：应用计算流体动力学模拟降落伞的流场特征，通过结构有限元法模拟降落伞的结构特性，然后把两者通过迭代耦合的方式结合起来，完成降落伞的数值模拟。本案例采用有限元分析软件LS-DYNA来求解分析降落伞的充气过程。

首先建立伞衣几何模型，初始状态设定为半折叠状态，如图1所示，将其保存为stp格式并导入Hypermesh中进行前处理。确定伞绳初始长度，并设定顶点位置，通过line功能建立伞绳线条。根据几何模型大小对流体域进行建模，可设置为圆柱体域空间，选择合适的尺寸对上述部件进行网格划分，计算模型可参考图2。

图1 伞衣几何模型

图2 降落伞及流体域计算模型

伞衣材料选择柔性纺织物材料，关键字为MAT_034,其密度为500kg/m3，弹性模量400MPa，泊松比0.15，厚度设置为2mm。伞绳选择离散梁单元材料，关键词为MAT_071，其中密度为400kg/m3，弹性模量97000MPa，截面积可自行设置。流体域赋予理想气体，并设定空气流速为80m/s。计算方法选择ALE流固耦合算法。其余Card填充较为繁琐，不在此赘述。计算结果展示如下：

图3 不同时刻降落伞充气状态（0s；0.3s；0.6s；1s）

降落伞充气展开视角1

降落伞充气展开视角2

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