帶囊回轉體落水仿真與試驗研究

陳開顏，陳 輝，魏海鵬，吉 康，裴金亮，程少華，王占瑩

（1.西北工業大學，西安 710072；2.北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

0 引 言

氣囊裝置被廣泛應用于重裝物資空投緩沖、航天器著陸回收、船舶下水和飛機水面迫降等領域[1-5]。回轉體安裝氣囊裝置，可實現回轉體的安全回收和重復使用，同時可避免回轉體的回落導致發射平臺受損[5]。國內外專家對不同類型物體的落水和入水問題進行了大量的研究，研究表明，數值仿真分析和落水試驗是研究帶囊回轉體落水物理過程的有效手段。

在數值仿真分析方面，Shin和Chisum[6]采用CEL 方法對水下沖擊問題進行了仿真分析；Hsu等[7]基于CEL 方法，采用三維氣泡動力學模型對自由場氣泡載荷脈動、射流過程等進行了仿真分析；姚小虎等[8]基于CEL方法建立了水陸兩棲飛機機頭水上降落的流固耦合模型，分析了在不同入水角度下和垂直入水速度下的結構響應；王永虎等[9]基于CEL方法對失事客機（MH370）的水上迫降沖擊動力學進行了分析研究；王升等[10]基于CEL 方法對全雷入水沖擊問題進行了建模與仿真分析，并結合入水試驗，優化了建模過程以及仿真方法。

在落水試驗方面，Zhao 等[11]針對升角為30°的楔形體和典型船舷剖面結構開展了入水沖擊試驗；Panciroli等[12]針對彈性楔形體的板厚、底部升角、沖擊速度等開展了試驗研究；何春濤[13]針對圓柱體開展了不同攻角、不同落水速度條件下的入水空泡試驗研究；林賡[5]開展了低速小尺度帶囊圓柱體的原理試驗研究，并基于CEL方法進行了多因素的優化仿真分析；Bardet[14]基于SAMCEF 有限元分析模型，設計了一種大尺度的落水試驗系統，并結合落水試驗，測試了一款大型氣囊回收系統（IRSS）的可行性。

本文基于CEL 方法和不同尺度落水試驗對帶囊回轉體落水特征的影響因素、落水物理過程進行辨識，并基于落水試驗對不同囊-體連接結構形式的落水特征進行了分析，可為典型帶囊回轉體落水回收系統的設計提供參考。

1 CEL數值仿真方法

1.1 CEL算法

CEL 方法是Abaqus 軟件中分析流固耦合的關鍵技術，能夠解決有關大變形和材料破壞等諸多問題。利用Abaqus 軟件的動力學分析模塊，建立落水載荷求解模型。CEL 方法是基于中心差分的動態顯式求解算法，利用中心差分算法求解動力學方程時，加速度和速度可以用位移的形式表示為[15]

1.2 氣-固耦合

氣囊是靠充入壓縮氣體起承載作用的，這是氣囊的基本特性。當氣囊表面上的載荷發生變化時，氣囊腔內的氣體壓力也隨之變化，從而實現氣囊反作用力和載荷的動態平衡。

氣囊腔內的氣體質量一定，其容積表達式是腔內充入氣體的壓力和溫度的函數，即=(p,θ,m)，其中p為氣體壓力，θ為氣體溫度，m為氣體質量。根據虛功原理，我們可以得出

式中，δ∏*為氣囊所做的虛功，δ∏為沒有充入氣體時氣囊所作的虛功，V為實際氣體的容積，如果出現負值，說明氣腔內容積增大，從而釋放能量，對外做功。對上式虛功等式進行微分得

式中，pdδV為壓力載荷剛度，d/dp為氣體壓力容積。由于氣囊內所有單元的壓力都相同，根據虛功原理，單個單元虛功可以用總虛功來表示：

根據充入氣囊內氣體的總質量等于氣體單元的總質量，腔內的氣體密度可以表示為

式中，θR和pR是參考密度ρR時的溫度和壓力，θA是在絕對零度時的溫度，pA是環境壓力。氣體的容積計算如下：

相應的氣體壓力容積表達式為

其容積的變化可以表示為

2 落水試驗系統及原理性試驗

2.1 落水試驗系統

本文建立的落水試驗系統如圖1所示，包含回轉體、氣囊裝置、釋放裝置、地面支持設施（含水池、吊車等）和攝像系統等。

圖1 落水試驗系統原理圖Fig.1 Sketch of falling experiment system

回轉體一般包含回轉結構體、測量系統和充氣管路系統。回轉結構體是回轉體的結構主體；測量系統用于測量落水過程中的參數（如氣囊囊內壓力、氣囊連接帶拉力和慣性參數等）；充氣管路系統為氣囊裝置充氣并保證氣密。

氣囊裝置一般包含囊體、進氣管、氣囊連接帶和囊-體連接結構等。囊體為氣囊裝置的主結構，用于儲存氣體，落水過程中為回轉體提供主要浮力；進氣管為氣囊裝置的進氣通道，充氣管路連接進氣管為氣囊充氣；氣囊連接帶連接氣囊與連接結構，落水過程中承受主要拉力載荷；囊體與回轉體之間通過連接結構連接，典型囊-體連接結構形式一般有點式（如圖2所示）和環式[14]（如圖3所示）。

圖2 典型點式連接結構形式Fig.2 Typical point connection method

圖3 典型環式連接結構形式Fig.3 Typical ring connection method

釋放裝置一般有電磁釋放和火工釋放兩種形式，本文采用電磁釋放裝置。地面支持設施包含水池或水槽、吊車和打撈回收設備等。攝像系統一般有常速攝像和高速攝像，用于記錄試驗過程中的物理景象。

2.2 帶囊回轉體原理性落水試驗研究

基于圖1 所示的落水試驗系統原理圖，在實驗室環境下利用1.2 m×1.2 m×2.4 m（長×寬×高）的玻璃水箱開展直徑為50 mm、長度為260 mm、重量約0.5 kg的帶囊回轉體落水原理性試驗。并將高速攝像系統與水面保持水平，獲取了典型落水過程的物理景象。如圖4所示，典型帶囊回轉體落水過程可分為3個階段：

圖4 帶囊回轉體落水原理性試驗物理景象Fig.4 Principle falling experiments of cylinder with airbags

（1）入水砰擊階段（A→B）：回轉體底部觸水至氣囊觸水。本階段主要是回轉體受到入水沖擊力作用，并在回轉體底部形成開口空泡。

（2）氣囊與回轉體瞬態作用階段（B→D）：氣囊接觸水面至氣囊相對回轉體靜止（完全浸入水中）。本階段回轉體繼續向下運動，回轉體表面形成空泡，逐漸閉合，氣囊與回轉體之間相互作用，并且氣囊繞回轉體壁面翻轉碰撞，受力特征較為復雜。

（3）氣囊與回轉體整體運動階段（D→E）：氣囊與回轉體一起運動。本階段回轉體表面空泡逐漸潰滅，氣囊與回轉體共同運動至最大入水深度，而后回轉體在氣囊浮力、自身浮力等綜合作用力作用下上浮。

通過小型帶囊回轉體的原理性試驗辨識出帶囊回轉體的典型落水過程及物理景象，同時證明落水試驗系統具有可行性。

3 不同影響因素下的落水特征仿真分析研究

對縮比回轉體模型在不同工況（不同落水速度、不同俯仰角度以及不同初始囊壓）下基于CEL 算法進行數值仿真模擬。通過對計算結果進行分析比較得到落水過程中落水深度、囊壓變化和氣囊總拉力受不同影響因素的變化規律。

3.1 物理量定義及初始邊界條件

文中對描述物理量均進行了無量綱處理，其中：落水深度用h/L表示，h為回轉體浸入水面深度，L為回轉體軸向長度；囊壓用P/P0表示，P為囊壓絕對值，P0為標準大氣壓；氣囊連接帶拉力用F/B表示，F為氣囊連接帶合力，B為回轉體全浸沒時的自身浮力；落水速度用V/gL表示，V為落水速度，g為重力加速度。俯仰角用兩氣囊連接點與回轉體軸線形成的平面與水平面之間的夾角表示，圖4 所示為90°俯仰角的入水姿態。

初始邊界條件：將帶囊回轉體整體設置于一個無限范圍的水域，整體流場模型寬度設置為回轉體直徑的10 倍，流場四周以及上下底面設置為剛性固定邊界。由于建立的流域足夠大，可認為四周壁面反射的微小水波不會對整個落水過程產生影響。氣囊與回轉體位于自由液面的正上方。根據運動學原理V2= 2gh，賦予回轉體與氣囊初始下落速度以代替下落高度的效果，使回轉體與氣囊處于某一速度時，回轉體下表面恰好與水面相切。氣囊與回轉體在不受其他約束的條件下開始落水運動。

3.2 落水速度的影響分析

分別開展了俯仰角為90°、初始囊壓為P/P0=1.3、落水速度分別為V/gL=2.09和V/gL=1.74的數值仿真計算，結果見圖5～7。隨著落水速度的增大，直接影響帶囊回轉體落水時的初始動能，繼而影響落水深度增加，囊壓峰值增大，氣囊總拉力增大。結合原理性落水試驗的物理景象對仿真結果進行分析，圖5～6標示了典型落水物理特征點。

圖5 不同速度下落水深度仿真分析結果Fig.5 Simulation results of falling depth under different speeds

圖6 不同速度下囊壓變化仿真分析結果Fig.6 Simulation results of airbag pressure under different speeds

圖7 不同速度下氣囊總拉力仿真分析結果Fig.7 Simulation results of total pull on airbag under different speeds

3.3 俯仰角度的影響分析

分別開展了初始囊壓為P/P0=1.3、落水速度為V/gL=2.09、俯仰角分別為0°和30°的數值仿真計算，結果見圖8～10。隨著俯仰角的增大，帶囊回轉體的落水深度和氣囊總拉力變大。受氣囊接觸水時刻的速度影響，不同俯仰角下的最大囊壓不同，俯仰角為0°時的囊壓增值最大。

圖8 不同俯仰角度下落水深度仿真分析結果Fig.8 Simulation results of falling depth under different pitch angles

圖9 不同俯仰角度下囊壓變化仿真分析結果Fig.9 Simulation results of airbag pressure under different pitch angles

圖10 不同俯仰角度下氣囊總拉力仿真分析結果Fig.10 Simulation results of total pull on airbag under different pitch angles

3.4 初始囊壓的影響分析

分別開展了俯仰角為0°、落水速度為V/gL=2.09、初始囊壓分別為P/P0=1.1和P/P0=1.5的數值仿真計算，結果見圖11～13。隨著初始囊壓的增大，影響帶囊回轉體氣囊裝置入水后的囊壓峰值（絕對壓力）和落水后的囊壓峰值（絕對壓力）就越大。對落水深度和氣囊總拉力影響不明顯，僅高囊壓狀態入水深度稍小，氣囊總拉力差異較小。

圖11 不同初始囊壓下落水深度仿真分析結果Fig.11 Simulation results of falling depth under different initial pressures

圖12 不同初始囊壓下囊壓變化仿真分析結果Fig.12 Simulation results of airbag pressure under different initial pressures

圖13 不同初始囊壓下氣囊總拉力仿真分析結果Fig.13 Simulation results of total pull on airbag under different initial pressures

4 大尺度帶囊回轉體落水試驗研究

基于上述仿真分析結果，對點式和環式連接結構形式下的帶囊回轉體分別開展了兩次大尺度落水試驗，對實際工程應用的帶囊回轉體落水特征進行分析，用于指導典型帶囊回轉體落水回收系統的設計及應用。

4.1 落水深度和速度分析

測量系統測得各發次的落水深度和落水速度，如圖14所示?？梢姴煌B接結構形式下的帶囊回轉體落水深度和落水速度差別不大：在V/gL=1.45的相同落水速度下，點式最大落水深度h/L均值為1.3，環式最大落水深度h/L均值為1.1。

圖14 帶囊回轉體落水深度和落水速度Fig.14 Falling speed and depth of cylinder with airbags

4.2 囊壓分析

不同連接結構形式下帶囊回轉體落水后的氣囊裝置囊壓變化差別較小，且趨勢相近，如圖15 所示。分別有兩個峰值，結合原理性落水試驗物理過程分析可知：第一個峰值為氣囊撞水至完全浸沒后，囊壓升至第一個峰值；第二個峰值為氣囊與回轉體碰撞擠壓后，囊壓升至第二個峰值。

圖15 帶囊回轉體囊壓變化Fig.15 Airbag pressure of cylinder with airbags

4.3 連接帶受力分析

如圖16～18 所示，環式連接結構與點式連接結構相比，連接帶總拉力相差較小，但環式結構連接帶拉力分布更均勻，單根帶拉力的幅值更小，主要原因是點式連接結構存在附加彎矩，測力螺栓受力存在放大現象。因此，環式連接結構能夠有效實現氣囊連接帶降載。

圖16 點式連接結構各連接帶受力峰值情況Fig.16 Peak load on every belt with point connection method

圖17 環式連接結構各連接帶受力峰值情況Fig.17 Peak load on every belt with ring connection method

圖18 氣囊連接帶合力圖Fig.18 Total load on connection belts

5 結 論

本文針對帶囊回轉體落水回收問題，通過建立帶囊回轉體落水回收試驗系統，并基于落水仿真分析和不同尺度的帶囊回收體落水試驗，得到以下結論：

（1）帶囊回轉體落水過程可分為三個階段：入水砰擊階段、氣囊與回轉體瞬態作用階段和氣囊與回轉體整體運動階段。

（2）基于CEL 數值仿真方法，建立了帶囊回轉體落水仿真分析模型，經不同工況的仿真分析，辨識出落水過程的影響因素主要包括：落水速度、俯仰角度和初始囊壓。

（3）通過開展不同的囊-體連接形式下的多發次大尺度帶囊回轉體落水試驗，有效驗證了落水試驗系統的可行性。

（4）在氣囊、連接結構和回轉體組成的力學系統中，它們之間的作用力僅是系統的內力，不影響在相同外力作用下的力學系統的宏觀運動，不同連接結構形式對帶囊回轉體落水深度和囊壓變化影響較?。画h式連接結構的氣囊連接帶較點式連接結構受力均勻，能夠實現氣囊連接帶有效降載。