一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法

摘要

本发明涉及结构仿真设计技术领域，特指一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法，该方法包括空投装备气囊缓冲系统的仿真计算和空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计，不仅可以应用于空投装备气囊缓冲系统的前期开发设计阶段，通过计算机的仿真计算和匹配设计的手段获得气囊缓冲系统的基本结构参数，无需通过实际装备气囊缓冲系统进行试验，简化了试验的手段，减少了试验的次数，降低了研发的成本；还可以应用于已有气囊缓冲系统，对已有气囊缓冲系统进行仿真分析，为空投装备及气囊缓冲系统的可靠性评估提供重要的数据。

说明书

技术领域

本发明涉及结构仿真设计技术领域，特指一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法。

背景技术

空投装备的气囊缓冲系统是战车空投系统的重要组成部分，是保证空投装备从空中安全抵达地面的一种特殊装备。若空投装备在伞降系统减速后落地时直接接触地面，瞬间冲击过载将会损坏空投装备内部的仪器和机体结构。气囊缓冲系统通过缓冲措施，可以进一步减轻空投装备在落地瞬间所受到的冲击，使空投装备从接触气囊到完全静止这段时间内的过载，控制在许用过载范围以内，同时不出现反弹现象，从而保护仪器设备及机体不受损坏。

因此，气囊缓冲技术是着陆缓冲最主要的关键技术之一，由于实际装备气囊缓冲系统试验危险性大、成本高、组织协调及试验条件控制困难，难以大量进行实际装备气囊缓冲系统试验。借助数值仿真能在短时间内进行大量计算的特点，对气囊缓冲过程进行仿真，可以预测不同工作条件下气囊缓冲系统的性能特征，为系统设计方案的评估、改进、优化和验收提供重要的依据。

由于气囊缓冲系统各参数对其缓冲特性的影响相互制约，每种新的应用都要经过试验设计或者通过投放平台的反复试验来确定气囊参数的合理性，不仅实验周期长、研制成本高，而且设计结果也不太理想。因此通过气囊参数的匹配设计方法对气囊进行初始设计，就能有效减少试验，提高设计效率和成功率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法，针对空投装备气囊缓冲系统的前期开发设计阶段，通过计算机的仿真计算和匹配设计的手段获得气囊缓冲系统的基本结构参数，无需通过实际装备气囊缓冲系统进行试验，简化了试验的手段，减少了试验的次数，大大降低了研发的成本。

为实现上述目的，本发明的一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法，该方法包括空投装备气囊缓冲系统的仿真计算和空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计。

所述空投装备气囊缓冲系统的仿真计算包括如下步骤：

A．建立单气室气囊的解析模型：将单气室气囊简化为带有排气口的活塞汽缸，利用气体热力学基本理论推导出气囊排气口流量方程，在此基础上建立了单气室气囊的解析模型；

B．建立双气室气囊的解析模型：所述双气室气囊包括主气囊和辅气囊，主气囊与辅气囊相互连通；先推导出主气囊排气口流量方程和辅气囊排气口流量方程，再利用辅气囊内气体质量等于主气囊排入辅气囊的空气的质量与辅气囊向大气排出空气的质量之差的关系，建立双气室气囊的解析模型；

C．通过计算机建立单气室气囊和双气室气囊的仿真模型；

D．计算机分别获得单气室气囊和双气室气囊的仿真模型的输入参数，所述单气室气囊的仿真模型的输入参数包括：气囊底面积、气囊高度、着陆初速度、排气口面积、外界温度、初始压强和载荷质量，所述双气室气囊的仿真模型的输入参数包括气囊底面积、气囊高度、着陆初速度、主气囊排气口面积、辅气囊排气口面积、外界温度、初始压强、载荷质量、辅气囊体积与主气囊体积之比；

E．计算机分别对单气室气囊及双气室气囊的仿真模型进行求解，得到空投装备气囊缓冲系统的缓冲特性曲线及空投装备的最大加速度和着陆末速度；

所述空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计包括如下步骤：

A. 建立单气室气囊的无量纲解析模型；

B. 通过计算机建立单气室气囊的无量纲仿真模型；

C. 根据设计要求，计算机获得无量纲仿真模型的输入参数，所述输入参数包括载荷质量、最大加速度、着陆初速度、最大着陆末速度及气囊底面积；

D. 计算机对无量纲仿真模型进行求解，得到气囊设计的结构参数。

作为优选，所述排气口流量方程为

，式中为排气口气体流量变化率；P为气囊内气体压强；为气囊外大气压强；为空气的绝热指数； R为热力学气体常数；为气囊内气体初始绝对温度；为气囊内气体初始压强；K为流量系数；为排气孔面积。

作为优选，所述空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计中的气囊的无量纲解析模型为

，式中y表示任意时刻气囊高度与气囊初始高度的比值；T表示无量纲时间参量；表示气囊内压强与外界大气压的比值；H表示无量纲气囊高度参量；Z表示无量纲气囊载荷参量；B为无量纲气囊排气口参量； 、、为关于的无量纲参量，具体公式为：；；；

E.计算机对结构参数的匹配设计结果进行仿真验证, 验证结构参数的合理性。

作为优选，所述计算机为设置有MATLAB软件的计算机。

本发明的有益效果：一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法，该方法包括空投装备气囊缓冲系统的仿真计算和空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计，不仅可以应用于空投装备气囊缓冲系统的前期开发设计阶段，通过计算机的仿真计算和匹配设计的手段获得气囊缓冲系统的基本结构参数，无需通过实际装备气囊缓冲系统进行试验，简化了试验的手段，减少了试验的次数，降低了研发的成本；还可以应用于已有气囊缓冲系统，对已有气囊缓冲系统进行仿真分析，为空投装备及气囊缓冲系统的可靠性评估提供重要的数据。

附图说明

图1为本发明的方框图。

图2为本发明的单气囊简化模型的示意图。

图3为本发明的双气室气囊简化模型的示意图。

图4为本发明通过MATLAB软件仿真计算输出的气囊缓冲特性曲线图界面。

图5为本发明通过MATLAB软件匹配设计显示出的气囊结构参数结果界面。

图6为本发明通过MATLAB软件对囊结构参数结果进行仿真验证界面。

附图标记包括：

1—空投装备    2—单气室气囊    3—主气囊    4—辅气囊   5—排气口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1至图6所示，一种空投装备气囊缓冲系统的仿真设计方法，该方法包括空投装备气囊缓冲系统的仿真计算和空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计；不仅可以应用于空投装备气囊缓冲系统的前期开发设计阶段，通过计算机的仿真计算和匹配设计的手段获得气囊缓冲系统的基本结构参数，无需通过实际装备气囊缓冲系统进行试验，简化了试验的手段，减少了试验的次数，降低了研发的成本；还可以应用于已有气囊缓冲系统，对已有气囊缓冲系统进行仿真分析，为空投装备1及气囊缓冲系统的可靠性评估提供重要的数据。

所述空投装备气囊缓冲系统的仿真计算包括如下步骤：

A．建立单气室气囊2的解析模型：将单气室气囊2简化为带有排气口的活塞汽缸，利用气体热力学基本理论推导出气囊排气口5的流量方程，在此基础上建立了单气室气囊2的解析模型。其中，气囊缓冲的机理是：通过气囊内部气体压缩吸收冲击能量，经排气口5排出压缩气体释放能量，减小空投装备1的冲击过载。单气室气囊2建模的关键在于推导出排气口5流量方程，在此基础上利用空投装备1的动力学方程及气体状态方程建立单气室气囊2的解析模型。

B．建立双气室气囊的解析模型：所述双气室气囊包括主气囊3和辅气囊4，主气囊3与辅气囊4相互连通；先推导出主气囊3的排气口流量方程和辅气囊4的排气口流量方程，再利用辅气囊4内气体质量等于主气囊3排入辅气囊4的空气的质量与辅气囊4向大气排出空气的质量之差的关系，建立双气室气囊的解析模型。其中，当主气囊3受压缩后开始向辅气囊4排气，辅气囊4充满后，内压克服辅气囊4自身粘扣的粘合力，排气口5开启并开始向外卸压。缓冲过程中，空投装备1只与主气囊3上表面接触，辅气囊4只对压缩空气起延缓放气作用。双气室气囊建模的关键是推导出主气囊3和辅气囊4排气口5流量方程，并建立连接主、辅气囊状态变化的参量关系。所述排气口5流量方程为

式中，为排气口气体流量变化率；P为气囊内气体压强；为气囊外大气压强；为空气的绝热指数； R为热力学气体常数；为气囊内气体初始绝对温度；为气囊内气体初始压强；K为流量系数；为排气孔面积。

C．通过计算机建立单气室气囊2和双气室气囊的仿真模型。

D．计算机分别获得单气室气囊和双气室气囊的仿真模型的输入参数，所述单气室气囊的仿真模型的输入参数包括：气囊底面积(m²)、气囊高度(m)、着陆初速度(m/s)、排气口面积(m²)、外界温度(o)、初始压强(Pa)、载荷质量(kg)，所述双气室气囊的仿真模型的输入参数包括：气囊底面积(m²)、气囊高度(m)、着陆初速度(m/s)、主气囊排气口面积(m²)、辅气囊排气口面积(m²)、外界温度(o)、初始压强(Pa)、载荷质量(kg)、 辅气囊体积与主气囊体积之比。

E．计算机分别对单气室气囊及双气室气囊的仿真模型进行求解，得到空投装备气囊缓冲系统的缓冲特性曲线及空投装备1的最大加速度和着陆末速度。

通过空投装备气囊缓冲系统的仿真计算可以计算得到反映气囊系统缓冲性能的最大加速度和着陆末速度，同时得到气囊系统缓冲过程的速度、加速度、压强和气囊高度变化等缓冲特性的时间历程曲线图，并可输出相应曲线进行编辑保存。

所述空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计包括如下步骤：

A. 建立单气室气囊的无量纲解析模型。

B. 通过计算机建立单气室气囊的无量纲仿真模型。

C. 根据设计要求，计算机获得无量纲仿真模型的输入参数，所述输入参数包括载荷质量(kg)、最大加速度(m²/s)、着陆初速度(m/s)、最大着陆末速度(m/s)及气囊底面积(m²)。

D. 计算机对无量纲仿真模型进行求解，得到气囊设计的结构参数。

所述空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计中的气囊的无量纲解析模型为

，式中y表示任意时刻气囊高度与气囊初始高度的比值；T表示无量纲时间参量；表示气囊内压强与外界大气压的比值；H表示无量纲气囊高度参量；Z表示无量纲气囊载荷参量；B为无量纲气囊排气口参量； 、、为关于的无量纲参量，具体公式为：；；。

由于气囊参数匹配设计采用的是无量纲解析模型，因此，输入设计条件后首先要将已知条件参数转化为无量纲参数；然后将一定范围内的无量纲排气口5面积参量和气囊高度参量以及气囊系统的已知条件代入无量纲解析模型中进行反复迭代计算，查找出每次满足最大加速度和最大着陆末速度要求的无量纲气囊高度参量和排气口5面积参量的临界值，并将每次计算得到的临界值保存到变量中，从而得到横纵坐标分别为无量纲排气口5参量和无量纲气囊高度参量的满足设计条件的最大加速度和最大着陆末速度的曲线图，两条曲线的交点即为对应的无量纲排气口5参数值和无量纲气囊高度值；最后将这两个无量纲参数值转化为最终的排气口5面积和气囊高度值。空投装备气囊缓冲系统的参数匹配设计可以根据气囊系统的设计条件，计算得到气囊的排气口5的面积和气囊高度。

E．计算机再对结构参数的匹配设计结果进行仿真验证，将计算得到的气囊排气口5面积和气囊高度以及已知的气囊系统参量输入到空投装备气囊缓冲系统的仿真计算中进行计算，通过气囊缓冲特性仿真来验证设计结果的合理性。

所述计算机为设置有MATLAB软件的计算机。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。