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        基于流固耦合的平流層飛艇超壓-體積變化特性研究

        2021-10-14 10:34:02勇,周強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:囊體艇體平流層

        倪 勇,周 強(qiáng)

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部,合肥 230088)

        0 引言

        平流層飛艇是一種輕于空氣、長(zhǎng)時(shí)間工作于平流層環(huán)境的飛行器,為減輕飛艇重量,目前大多數(shù)飛艇采用軟式結(jié)構(gòu)形式,即飛艇結(jié)構(gòu)由充滿氦氣的封閉囊體組成。針對(duì)飛艇內(nèi)部氣體狀態(tài)的計(jì)算,傳統(tǒng)的方法里假設(shè)飛艇囊體體積始終保持不變[1]。然而飛艇內(nèi)部氣體超壓將對(duì)飛艇體積產(chǎn)生較大影響,假設(shè)體積不變,會(huì)對(duì)內(nèi)部氣體狀態(tài)的計(jì)算和氣密測(cè)試產(chǎn)生較大誤差。體積增大將影響飛艇駐空階段所受的浮力,若5萬(wàn)立方米平流層飛艇在20 km高度體積增大5%將導(dǎo)致浮力增大約220 kg,從而影響飛艇浮重平衡,導(dǎo)致飛艇高度上升,影響駐空安全,同時(shí)囊體體積的誤差將影響飛艇氣密性能的估算,進(jìn)而影響駐空時(shí)間的預(yù)示[2]。因此研究超壓與體積變化關(guān)系十分必要,例如平流層飛艇在白天因溫度影響的囊體內(nèi)外壓差載荷(超壓)可能超過(guò)1500 Pa[3],如此大的超壓將導(dǎo)致飛艇體積發(fā)生一定變化[4-5]。

        對(duì)于密封的囊體結(jié)構(gòu),囊體超壓將引起體積變大,體積變大又將降低囊體超壓量,二者相互作用,此過(guò)程為動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。國(guó)內(nèi)外普遍采用靜力學(xué)分析方法[2,5]研究這一變換過(guò)程,但是這種分析方法不僅難以準(zhǔn)確反映飛艇超壓量與體積變化關(guān)系,而且較難得到內(nèi)部氣體密度、囊體體積的參數(shù)量值。因此本文采用基于LS-DYNA的流固耦合方法分析封閉囊體的超壓-體積響應(yīng)關(guān)系,能準(zhǔn)確反映飛艇物理狀態(tài)。

        1 有限元建模

        以某軟式飛艇為研究對(duì)象,外形為流線型旋成體,飛艇外形曲線如圖1所示,長(zhǎng)為110 m,最大直徑為26.6 m,成形零超壓狀態(tài)下體積為50000 m3。

        圖1 飛艇外形曲線

        艇體有限元建模采用shell殼單元,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為54908,網(wǎng)格劃分如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)格劃分

        囊體變形計(jì)算采用有限元法。囊體材料為織物材料(034-Fabric),面密度為100 g/m2,厚度為0.2 mm,囊體材料密度為500 kg/m3。囊體材料縱向、橫向、法向的彈性模量均為5.0×109Pa,泊松比為0.2,材料拉伸強(qiáng)度為100 kN/m。艇體定義為L(zhǎng)S-DYNA中的HYBRID_ID氣囊模型,為了與地面試驗(yàn)驗(yàn)證做比較,數(shù)值計(jì)算中忽略重力的影響,氣囊內(nèi)充入干燥空氣,空氣模型采用可壓縮絕熱模型,滿足下式:

        PV=(m/M)RT

        (1)

        P=(k-1)(U/V)

        (2)

        U=(m/M)CvT

        (3)

        其中:P為氣體壓強(qiáng);V為體積;m為質(zhì)量;M為摩爾質(zhì)量;R為氣體常數(shù);T為溫度;k為絕熱系數(shù);U為氣體內(nèi)能;Cv為氣體定容比熱容。

        2 結(jié)果分析

        2.1 艇體超壓流固耦合仿真

        以1330 Pa超壓計(jì)算為例,分析基于LS-DYNA的流固耦合仿真結(jié)果,末狀態(tài)超壓根據(jù)充氣量試算結(jié)果得到,充氣時(shí)間不變,改變充氣速率來(lái)確定末狀態(tài)超壓。初始狀態(tài)為艇體內(nèi)外壓差相等,給予艇體充氣以達(dá)到超壓狀態(tài)。選擇1.1 km海拔的大氣壓力和密度作為輸入?yún)⒘?,艇體氣囊初始內(nèi)壓與外部大氣壓相等,為88957 Pa。

        艇體充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體質(zhì)量變化如圖3所示。在前1 s內(nèi)以2500 kg/s的速率向氣囊不斷充入空氣,使氣囊超壓,可以看出氣囊內(nèi)部氣體質(zhì)量保持線性增加。1 s后停止充氣,可以看出1 s后氣囊內(nèi)部氣體質(zhì)量保持不變。

        圖3 艇體充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體質(zhì)量變化

        艇體充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體壓力變化如圖4所示。由圖可知,在10 s后壓力值浮動(dòng)較小,最終穩(wěn)定狀態(tài)艇體內(nèi)部空氣壓力為90287 Pa,超壓量約1330 Pa,對(duì)應(yīng)的囊體最大承受的拉力為17.69 kN/m,遠(yuǎn)小于囊體材料的拉伸強(qiáng)度,本文分析的壓力范圍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全可靠的。

        圖4 艇體充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體壓力變化

        充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體密度變化如圖5所示。由圖5可見(jiàn)在初始階段內(nèi)部氣體密度與外部大氣相同,為1.101 kg/m3,超壓后的氣體密度約為1.113 kg/m3。

        圖5 充氣過(guò)程囊體內(nèi)部氣體密度變化

        充氣過(guò)程囊體體積變化如圖6所示??梢钥闯龀瑝汉竽殷w體積發(fā)生了略微增大,變?yōu)?1719 m3,體積增大了3.91%。從圖3至圖6分析可以看出在充氣階段,囊體內(nèi)部氣體壓力、密度以及飛艇體積隨著充氣量的增加不斷增大;在充氣停止后,壓力、體積等仍發(fā)生振蕩現(xiàn)象,這是由于氣體的壓縮壓力變大,囊體體積增大,應(yīng)力增強(qiáng),二者相互作用,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此過(guò)程為流固耦合過(guò)程。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知,飛艇體積的增大將減緩內(nèi)部超壓值的增長(zhǎng)速度。

        圖6 充氣過(guò)程囊體體積變化

        2.2 超壓體積變化分析研究

        以上的分析結(jié)果表明,采用流固耦合分析方法可以較準(zhǔn)確地反映囊體超壓與體積的變化關(guān)系,同時(shí)可以得到囊體內(nèi)部氣體狀態(tài)。為了分析超壓量對(duì)于體積的變化影響,通過(guò)改變充氣量來(lái)改變內(nèi)部超壓量,進(jìn)行流固耦合分析。超壓量與體積變化關(guān)系如圖7所示??梢钥闯鲭S著超壓量的增大,體積呈線性增長(zhǎng),超壓1430 Pa時(shí),體積增大3.84%。

        圖7 超壓量與體積變化關(guān)系

        因囊體材料多為織物材料,織物的加工工藝、所受加載載荷均對(duì)織物材料的彈性模量產(chǎn)生一定影響[6],因此研究囊體材料彈性模量對(duì)體積變化以及超壓量的影響十分必要。所用模型與上文一致,囊體材料彈性模量分別從2.5~50 GPa變化,充氣量和充氣時(shí)間均相同。囊體材料彈性模量與體積變化關(guān)系如圖8所示??梢钥闯霎?dāng)保持充氣量不變時(shí),隨著彈性模量的增大,因超壓導(dǎo)致的體積變化逐漸減小,超壓量逐漸增大。當(dāng)彈性模量為10 GPa時(shí),飛艇在2130 Pa超壓下的體積變形為2.768%,根據(jù)上面分析可知超壓與體積變化基本呈線性關(guān)系,可預(yù)測(cè)1430 Pa超壓下體積變形為1.86%。

        圖8 囊體材料彈性模量與體積變化關(guān)系

        飛艇體積的變化受飛艇超壓影響較大,對(duì)于其它外界輸入不變的情況下,飛艇體積彈性變形可以在一定程度上減緩超壓。根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=(m/M)RT可知,密封囊體內(nèi)部氣體在質(zhì)量和溫度不變的情況下,壓力與體積呈反比關(guān)系,本文數(shù)值分析與理論規(guī)律一致。

        3 結(jié)論

        本文基于LS-DYNA的流固耦合方法分析了平流層飛艇超壓-體積變化特性,相對(duì)于傳統(tǒng)靜力學(xué)分析方法可以更加準(zhǔn)確得到飛艇內(nèi)部氣體超壓與體積變化關(guān)系。數(shù)值結(jié)果分析表明:平流層飛艇駐空階段,內(nèi)部氣體超壓將導(dǎo)致飛艇體積增大1%至4%,從而導(dǎo)致飛艇所受浮力增大;飛艇體積的增大將減緩內(nèi)部超壓值的增長(zhǎng)速度,囊體彈性模量對(duì)飛艇體積變化有較大影響,呈非線性關(guān)系。在設(shè)計(jì)飛艇時(shí),需考慮飛艇受超壓時(shí)所產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。

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