[发明专利]一种刚柔组合体、其应用及冲击过程相似性分析方法

说明书

本发明公开了一种刚柔组合体、其应用及冲击过程相似性分析方法，该方法通过量纲分析法得出刚柔组合体冲击过程中关键动力相似准数，并为满足这些相似准数而建立一种带有附加体积的刚柔组合体模型，关键动力参数包括弗劳德数，气囊绝对压力与表压力之比，大气压力与气囊表压力之比，以及气囊表压力与惯性力之比。刚柔组合体模型包括刚性结构物、带有孔的气囊、与气囊相通的刚性空气隔间、连接刚性空气隔间和气囊的管道；其中刚性空气隔间即为气囊的附加体积，刚性固连于气囊不参与冲击接触的位置。本发明具有刚柔组合体缩比模型与原型在满足几何相似，运动相似情况下，同样可以满足刚柔组合体尤其是柔性体关键准数相似的动力学相似的优势。

技术领域

本发明属于组合体模拟技术领域，涉及一种刚柔组合体、其应用及冲击过程相似性分析方法。

背景技术

国内外一般采用试验和数值方法对刚柔组合体着陆、着水进行研究。然而在进行试验时，由于边界条件的复杂性以及影响因素的多样性，很难在全尺寸刚柔组合体上进行试验，故一般选择用按一定比例尺(一般为缩尺)制作的缩比模型上进行试验。比如直升机救生气囊的试验验证，由于水池尺寸、测量设备的限制等，只能进行缩比模型试验测量。

做缩比试验前必须保证缩比试验模型与原型试验的相似性，缩比模型必须具备几何相似、运动相似、动力相似的条件。现有的各刚柔组合体着陆、着水等缩比试验方法步骤如下，试验中所使用的缩比模型均在几何相似、运动相似的基础上以弗劳德准数(Fr数)作为力学相似的准则，而没有使柔性体(如气囊)满足动力学相似准则。基于上述步骤建立的缩比模型在着陆、着水等冲击过程中因柔性体会发生大变形、大位移现象(此过程中柔性体的动力学相似尤为重要)导致缩比试验结果与实际情况下原型的结果差异很大，无法满足理论分析、相似性需求、设计需求以及工程应用。现有的刚柔组合体缩比相似方法已不能准确预测原型的载荷分布及运动姿态，已经形成技术瓶颈，急需一种新的研究思路来在几何相似的条件下保证柔性体动力学相似准则。

目前，刚柔组合体(直升机救生气囊、航天器着陆及火箭回收、探测器着陆缓冲、车用船用气囊等各种刚性结构物柔性气囊组合体)着陆着水冲击以及碰撞过程中，在几何相似的条件下很难满足刚柔组合体中的柔性体即气囊的动力学相似要求，因此目前相似性分析，特别是相关相似性试验没有合适的分析方法和依据，主要原因是缩比后并不能同时满足柔性体的性能特征相似要求。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明公开了刚柔组合体冲击过程缩比相似性分析中的一种全新方法，因其特性称之为附加体积法，在着陆着水过程中，基于该种相似方法建立的缩比模型不仅可以满足刚柔组合体几何相似，可以保证刚性体及柔性体与原型动力学相似。

本发明的技术方案是：一种刚柔组合体冲击过程相似性分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：选取刚柔组合体冲击过程中的相关物理量，通过量纲法分析得出刚柔组合体冲击过程中的关键动力相似准数；

步骤二：基于所述关键动力相似准数建立含有附加体积的缩比模型，所述缩比模型采用气囊为管道连接一个刚性空气隔间作为附加体积。

进一步的，所述缩比模型包括刚性结构物、带有孔的气囊、刚性空气隔间、连接刚性空气隔间和气囊的管道；

所述刚性空气隔间的下部也设有孔，其通过管道与所述气囊的孔相连通，所述刚性结构物中部设有通孔，所述通孔与所述气囊的孔相对，所述管道穿过所述刚性结构物上的通孔；

所述附加体积刚性固连于气囊不参与冲击接触的位置。

更进一步的，所述附加体积是缩比模型空气隔间的体积V_add，其大小为V_add＝(K-1)·λ³·V₀，其中K为体积因子，λ为长度缩比因子，V₀为原型气囊初始体积。