復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法
【專利摘要】復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法，包括確定影響氣囊系統(tǒng)緩沖效果的著陸工況參數(shù)及其變量空間，著陸工況參數(shù)包括海拔高度、大氣密度、大氣壓力、著陸地面坡度、風(fēng)速、風(fēng)向、垂直著陸速度、著陸時(shí)裝備的俯仰角和側(cè)傾角；根據(jù)著陸工況參數(shù)的變量空間，通過HyperStudy軟件對(duì)有限元模擬進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案著陸工況作為空投緩沖過程仿真試驗(yàn)邊界條件，調(diào)用Radioss軟件仿真模擬空投緩沖過程，得到對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)。其目的在于提供一種利用少量有限元仿真計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下隨機(jī)著陸工況仿真模擬并獲得著陸沖擊響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、可評(píng)價(jià)緩沖系統(tǒng)的緩沖效果的復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法。
【專利說明】復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]空投是裝備和物資投送的重要手段之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮著不可或缺的作用?？胀堆b備著陸時(shí)，著陸沖擊載荷主要取決于著陸地面坡度、垂直速度、橫向速度和裝備的側(cè)傾角和俯仰角。受空投場(chǎng)地內(nèi)的空氣密度、地面坡度、近地面風(fēng)速等條件的影響，上述著陸工況參數(shù)也會(huì)隨之變化。在各個(gè)著陸工況參數(shù)的綜合作用下，空投裝備可能出現(xiàn)著陸沖擊過大或者側(cè)翻等影響裝備使用的現(xiàn)象。
[0003]對(duì)空投裝備-氣囊系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)主要有試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真2種方法。然而，進(jìn)行評(píng)價(jià)氣囊系統(tǒng)緩沖性能需要大量的空投試驗(yàn)以獲得著陸響應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用實(shí)際裝備空投試驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)所需的人力、物力和財(cái)力是難以實(shí)現(xiàn)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，使得采用計(jì)算機(jī)模擬空投著陸緩沖過程成為現(xiàn)實(shí)。Willey等人在美國航空與航天學(xué)會(huì) AIAA2007-6172 上發(fā)表的《Impact Attenuating Airbags for Earthand Planetary Landing Systems》采用有限元方法對(duì)乘員探測(cè)飛行器(CEV)的著陸緩沖過程進(jìn)行了模擬。還有王紅巖等人在《中國機(jī)械工程學(xué)報(bào)》(英文版)2014年第I期發(fā)表的((Characteristic Verficat1n and Parameter Optimizat1n of Airbags Cush1n SystemforAirborne Vehicle)),該文中作者采用有限元方法建立了空投裝備-氣囊有限元模型，通過模擬空投裝備的著陸緩沖過程求解獲得沖擊響應(yīng)結(jié)果。
[0004]然而對(duì)于空投裝備-氣囊系統(tǒng)這樣的高度非線性有限元模型，模擬一次300ms的緩沖過程需要幾十小時(shí)的計(jì)算時(shí)間，通過大量的仿真試驗(yàn)獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間量巨大，這顯然也是不太實(shí)際的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用少量有限元仿真計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下隨機(jī)著陸工況仿真模擬，并獲得著陸沖擊響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、可評(píng)價(jià)緩沖系統(tǒng)的緩沖效果，進(jìn)而可避免空投裝備可能出現(xiàn)著陸沖擊過大或者側(cè)翻等影響裝備使用現(xiàn)象的復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法。
[0006]本發(fā)明復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟:
[0007]I)確定影響氣囊系統(tǒng)緩沖效果的著陸工況參數(shù)及其變量空間，所述著陸工況參數(shù)包括海拔高度、大氣密度、大氣壓力、著陸地面的坡度、風(fēng)速、風(fēng)向、垂直著陸速度、著陸時(shí)裝備的俯仰角和側(cè)傾角；
[0008]2)根據(jù)著陸工況參數(shù)的變量空間，通過HyperStudy軟件對(duì)有限元模擬進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的著陸工況作為空投緩沖過程仿真試驗(yàn)的邊界條件，調(diào)用Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程，計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)；其中Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程是采用Chinese Journal Of MechanicalEngineering Vol.N0.1,2014 中” Characteristic Verficat1n and ParameterOptimizat1n of Airbags Cush1n System for Airborne Vehicle” 提出來的某型空投裝備-氣囊系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行計(jì)算的；所述目標(biāo)響應(yīng)包括著陸沖擊過載、側(cè)傾角、氣囊內(nèi)壓、裝備的反彈速度；
[0009]3)根據(jù)所述計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)，采用徑向基函數(shù)擬合著陸工況參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面模型；
[0010]4)利用蒙特卡羅方法抽樣產(chǎn)生隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)方案，通過在已建立的響應(yīng)面模型上進(jìn)行隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果；
[0011]5)確定空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，所述空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最大沖擊過載20g、最大翻轉(zhuǎn)角度57°、最大反彈速度3m/s和氣囊最大內(nèi)壓0.19MPa ;結(jié)合步驟4的響應(yīng)結(jié)果和所述空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得出空投裝備著陸成功概率，為評(píng)價(jià)緩沖氣囊的緩沖效果和對(duì)空投的安全性進(jìn)行輔助決策；所述空投裝備著陸成功概率有5項(xiàng)，包括著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率以及綜合成功概率，其中著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率的計(jì)算公式為P = n/N，其中η表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果中對(duì)應(yīng)項(xiàng)不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)；綜合成功概率的計(jì)算公式為Ptl = m/N，其中m表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果各項(xiàng)均不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)。
[0012]本發(fā)明一種復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法，本發(fā)明首先確定影響氣囊系統(tǒng)緩沖效果的著陸工況參數(shù)及其變量空間，通過HyperStudy軟件進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)并調(diào)用Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程，采用徑向基函數(shù)構(gòu)建變量與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面模型，在此響應(yīng)面模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)著陸工況模擬并獲得著陸沖擊響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，預(yù)測(cè)空投裝備著陸成功概率，實(shí)現(xiàn)了利用少量有限元仿真計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下隨機(jī)著陸工況仿真模擬并獲得著陸沖擊響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)不同空投環(huán)境條件預(yù)測(cè)空投裝備著陸成功概率，可用于評(píng)價(jià)緩沖系統(tǒng)的緩沖效果和對(duì)空投的安全性進(jìn)行輔助決策，避免空投裝備可能出現(xiàn)著陸沖擊過大或者側(cè)翻等影響裝備使用的現(xiàn)象。
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法流程圖；
[0015]圖2a為本發(fā)明的一種實(shí)施例中采用徑向基函數(shù)擬合著陸工況參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)得到的響應(yīng)面模型的一部分；
[0016]圖2b為本發(fā)明的一種實(shí)施例中采用徑向基函數(shù)擬合著陸工況參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)得到的響應(yīng)面模型的另一部分。
[0017]圖3為本發(fā)明的一種實(shí)施例中用蒙特卡羅方法生成的隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)方案圖像形式直觀顯示。

【具體實(shí)施方式】
[0018]參見圖1，本發(fā)明復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟:
[0019]I)確定影響氣囊系統(tǒng)緩沖效果的著陸工況參數(shù)及其變量空間，著陸工況參數(shù)包括海拔高度、大氣密度、大氣壓力、著陸地面的坡度、風(fēng)速、風(fēng)向、垂直著陸速度、著陸時(shí)裝備的俯仰角和側(cè)傾角；
[0020]本實(shí)施例給定的著陸工況參數(shù)及其取值范圍如表I所示，其中海拔高度、大氣密度和大氣壓力取固定值。
[0021]表I輸入?yún)?shù)及其取值范圍
[0022]
著陸工況參數(shù)I取值或取值范圍 I統(tǒng)計(jì)分布形式 I分布參數(shù)海拔高度~~
大氣密度1.20kg/m3~~
大氣壓力101325Pa~~
著陸地面的坡度[-5。，5° ]正態(tài)分布μ = O, σ = 1.67~
垂直速度[5.3m/s，8.9m/s] 正態(tài)分布μ =7.1，σ = 0.6
橫向速度[2m/s，9m/s]威布爾分布ct = 2.9，β =6.2
側(cè)傾角[-7°，7° ]正態(tài)分布μ t = 0.，σ = 2.33
俯仰角[-10°，10。]正態(tài)分布μ = 0., σ = 3.33
[0023]2)根據(jù)著陸工況參數(shù)的變量空間，通過HyperStudy軟件對(duì)有限元模擬進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的著陸工況作為空投緩沖過程仿真試驗(yàn)的邊界條件，調(diào)用Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程，計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)；其中Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程是采用Chinese Journal Of MechanicalEngineering Vol.N0.1,2014 中” Characteristic Verficat1n and ParameterOptimizat1n of Airbags Cush1n System for Airborne Vehicle”提出來的某型空投裝備-氣囊系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行計(jì)算的；目標(biāo)響應(yīng)包括著陸沖擊過載、側(cè)傾角、氣囊內(nèi)壓、裝備的反彈速度；
[0024]3)根據(jù)計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)，采用徑向基函數(shù)擬合著陸工況參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面模型，如圖2a和圖2b所示；
[0025]4)參見圖3，利用蒙特卡羅方法抽樣產(chǎn)生隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)方案，通過在已建立的響應(yīng)面模型上進(jìn)行隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果；
[0026]5)結(jié)合步驟4的響應(yīng)結(jié)果和空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得出空投裝備著陸成功概率，為評(píng)價(jià)緩沖氣囊的緩沖效果和對(duì)空投的安全性進(jìn)行輔助決策。
[0027]空投裝備著陸時(shí)可能出現(xiàn)導(dǎo)致裝備損壞或者影響其性能發(fā)揮的現(xiàn)象，如過載沖擊超標(biāo)引起的結(jié)構(gòu)損壞或某些精密儀器不能使用，本發(fā)明從著陸沖擊過載、緩沖過程中最大側(cè)傾角、氣囊最大內(nèi)壓和裝備的最大反彈速度4個(gè)方面提出著陸成功評(píng)價(jià)指標(biāo):
[0028]a.根據(jù)空投裝備的技術(shù)指標(biāo)，裝備空投時(shí)應(yīng)能承受最大著陸沖擊20g，因此定義空投裝備著陸沖擊加速度的極限值為20g, g為自由落體加速度。
[0029]b.考慮空投裝備著陸緩沖過程中由于地面坡度、橫向速度以及自身姿態(tài)的影響導(dǎo)致側(cè)向翻轉(zhuǎn)角過大，定義側(cè)傾角的極限值為57°。
[0030]c.根據(jù)氣囊織物的抗拉強(qiáng)度換算氣囊最大內(nèi)壓為0.19MPa，以保證氣囊不被撕m
? ο
[0031]d.定義空投裝備最大反彈速度3m/s，以確保緩沖著陸結(jié)束時(shí)不出現(xiàn)過大的反彈。
[0032]其中空投裝備著陸成功概率有5項(xiàng)，包括著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率以及綜合成功概率，其中著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率的計(jì)算公式為P = n/N，其中η表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果中對(duì)應(yīng)項(xiàng)不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)；綜合成功概率的計(jì)算公式為Ptl = m/N，其中m表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果各項(xiàng)均不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.復(fù)雜環(huán)境下空投著陸仿真模擬與評(píng)價(jià)方法，其特征在于包括以下步驟: 1)確定影響氣囊系統(tǒng)緩沖效果的著陸工況參數(shù)及其變量空間，所述著陸工況參數(shù)包括海拔高度、大氣密度、大氣壓力、著陸地面的坡度、風(fēng)速、風(fēng)向、垂直著陸速度、著陸時(shí)裝備的俯仰角和側(cè)傾角； 2)根據(jù)著陸工況參數(shù)的變量空間，通過HyperStudy軟件對(duì)有限元模擬進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的著陸工況作為空投緩沖過程仿真試驗(yàn)的邊界條件，調(diào)用Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程，計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)；其中Rad1ss軟件仿真模擬空投緩沖過程是采用Chinese Journal Of MechanicalEngineering Vol.N0.1,2014 中” Characteristic Verficat1n and ParameterOptimizat1n of Airbags Cush1n System for Airborne Vehicle”提出來的某型空投裝備-氣囊系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行計(jì)算的；所述目標(biāo)響應(yīng)包括著陸沖擊過載、側(cè)傾角、氣囊內(nèi)壓、裝備的反彈速度； 3)根據(jù)所述計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)響應(yīng)，采用徑向基函數(shù)擬合著陸工況參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面模型； 4)利用蒙特卡羅方法抽樣產(chǎn)生隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)方案，通過在已建立的響應(yīng)面模型上進(jìn)行隨機(jī)著陸工況試驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果； 5)確定空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，所述空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最大沖擊過載20g、最大翻轉(zhuǎn)角度57°、最大反彈速度3m/s和氣囊最大內(nèi)壓0.19MPa ;結(jié)合步驟4的響應(yīng)結(jié)果和所述空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得出空投裝備著陸成功概率，為評(píng)價(jià)緩沖氣囊的緩沖效果和對(duì)空投的安全性進(jìn)行輔助決策；所述空投裝備著陸成功概率有5項(xiàng)，包括著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率以及綜合成功概率，其中著陸沖擊過載項(xiàng)成功率、側(cè)傾角項(xiàng)成功率、氣囊內(nèi)壓項(xiàng)成功率、反彈速度項(xiàng)成功概率的計(jì)算公式為P = n/N，其中η表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果中對(duì)應(yīng)項(xiàng)不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)；綜合成功概率的計(jì)算公式為Ptl = m/N，其中m表示試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果各項(xiàng)均不大于對(duì)應(yīng)空投著陸安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的次數(shù)，N表示總的試驗(yàn)次數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104166771SQ201410420956
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】王紅巖, 李建陽, 芮強(qiáng), 洪煌杰 申請(qǐng)人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院