应用ALE有限元法对飞机水上迫降过程的流固耦合仿真

论文摘要

水上迫降性能是飞机安全性的重要内容之一,一旦迫降失败,将引起乘客的伤亡和极大的财产损失,因此飞机的水上迫降性能值得研究。随着计算机技术的发展以及有限元技术的成熟,采用计算机数值方法研究水上碰撞的特性,进而对迫降进行优化,为提高飞机的安全有着现实而重要的意义。目前水上迫降的仿真研究,有很多是使用机身的局部模型,并解耦进行计算。然而进行整机模型的流固耦合计算,更接近于实际情况,也更具有研究价值。因此本文在研究飞机迫降水面时考虑流固耦合动力学因素,建立具有实际飞机外形的三维动力学分析模型,从迫降姿态,应力、压力分布和过载变化等力学角度,对两种不同工况下的飞机水上迫降过程进行较全面的有限元计算仿真。主要研究工作可分为以下几方面内容：首先,确定本文所使用ALE及流固耦合计算方法,对半球型模型的入水过程进行了模拟,并与相关的试验结果相对比,两者吻合得比较好,说明了本文的飞机水上迫降研究方法的可行性。其次,针对飞机水上迫降问题,通过对单元类型、材料模型、接触搜索算法的选择以及载荷及边界的施加,建立了飞机迫降的有限元模型,并进行了网格划分。建模过程中根据文献进行了必要模型简化和参数设置。最后,本文基于ALE下的飞机水上迫降模型,参考水上迫降相关规定条件,进行常规的15°攻角迫降和非常规的0。攻角迫降这两个工况下的研究,并在各个工况下从迫降姿态,应力及压力分布和过载变化等力学角度来考察结果。仿真结果表明,15°攻角下飞机迫降过程较为平稳,最大过载出现在机身整体入水的前后；0°攻角下飞机迫降过程出现机身与水面的二次碰撞,在接触水面的瞬间,机身底部压力和过载情况均大于常规的15°攻角情况,不利于安全的水上迫降。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 本文研究的背景和意义
• 1.2 研究发展及现状
• 1.2.1 理论发展
• 1.2.2 实验研究
• 1.2.3 仿真研究
• 1.3 本文的主要工作介绍
• 第二章 ALE描述下流体动力学方程的建立
• 2.1 ALE理论介绍
• 2.1.1 ALE理论概述
• 2.1.2 ALE、Lagrange和Euler坐标系之间的映射关系
• 2.1.3 位移、速度和加速度定义
• 2.1.4 ALE坐标与其他坐标间的时间导数
• 2.1.5 ALE坐标退化形式
• 2.2 ALE描述下动力学方程建立
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 动量方程
• 2.2.3 能量方程
• 第三章 计算程序设置及验证
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA显式程序理论与方法
• 3.1.1 程序简介
• 3.1.2 程序理论与方法
• 3.1.3 子步循环及质量缩放
• 3.2 仿真设置
• 3.2.1 单元类型
• 3.2.2 材料类型
• 3.2.3 边界和初始条件设置
• 3.2.4 接触算法
• 3.2.5 计算流程
• 3.3 程序验证算例
• 3.3.1 算例模型
• 3.3.2 结果对比与研究
• 第四章 飞机迫降模型
• 4.1 飞机实体模型建立
• 4.2 材料参数的设置
• 4.2.1 飞机材料参数的设置
• 4.2.2 水面材料参数的设置
• 4.3 网格划分
• 4.3.1 机体网格划分
• 4.3.2 水域网格划分
• 4.4 迫降的初始条件
• 4.5 模型其他设置及说明
• 第五章 碰撞过程仿真及结果分析
• 5.1. 一定攻角下的飞机迫降仿真
• 5.1.1 飞机迫降情形
• 5.1.2 应力及分布
• 5.1.3 压力变化分析
• 5.1.4 速度变化分析
• 5.1.5 加速度变化分析
• 5.2 水平攻角下的飞机迫降仿真
• 5.2.1 飞机迫降情形
• 5.2.2 应力及分布
• 5.2.3 压力变化分析
• 5.2.4 速度变化分析
• 5.2.5 加速度变化分析
• 5.3 两种工况间的对比分析
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢