基于LMS Virtual. Lab的系留气球仿真与优化

系留气球在近地面收放过程中存在俯仰角过大的问题，为了更全面地了解收放过程中不同因素对球体俯仰角的影响，采用LMS Virtua1. Lab建立了带滑轮索具系统的系留气球三维动力学模型进行仿真分析，结果表明，仿真结果与理论计算、测量数据都有较高的符合度。进而运用试验设计( DOE)方法，探索典型风速下球体俯仰角的响应区间。最后基于响应面模型的优化技术，对滑轮索具系统设计进行优化，有效改善了球体在收放过程中俯仰角过大的问题。仿真模型对系留气球系统设计及收放控制有一定的指导作用。     

基于模型耦合的高空系留气球升降过程研究

为了研究高空系留气球升降特点,将气球飞行动力学模型与热力学模型相结合,通过数值仿真重点模拟并分析高空系留气球的上升与下降过程。结果表明:随着气球的升降,气球内部的气体温度变化明显,在上升过程中出现超冷现象,而在下降过程中出现超热,同时,气球内气体温度的变化又影响了气球的体积,进而通过浮力、阻力等环节对气球的升降过程起到一定的"负反馈"作用;在此基础上,气球的升降过程还需要着重考虑系留缆绳的控制作用,上升过程中缆绳的释放速度需要快,不得阻碍气球上升,而在下降过程中缆绳的收卷速度需要慢,不得超过自身的强度极限,研究得出在文中工况下高空系留气球缆绳的放线速度不小于14 m/s,回收最大拉力在90 kN量级以内。研究结果对高空系留气球系统设计具有重要的指导意义。     

系留气球升空过程的动态模拟

采用有限元方法,建立了系留气球的多质点动力学模型,研究了风场中某型系留气球的动态升空过程。模型中将柔性大变形的系留绳离散成若干绳段,各绳段假设为质量集中在端点的阻尼弹簧,各节点的运动由相应绳段的重力、气动力和张力确定。通过数值模拟给出并分析了系留气球轨迹、系留绳释放速度、张力、长度、形状和水平漂移距离等参数的变化规律。与国外典型算例进行对比,结果表明该模型对系留气球升空过程中的参数变化有较好的预测能力,对系留气球的释放控制有一定的指导作用。     

系留气球的升空模拟

建立了系留气球升空的数学模型,介绍了1个系留气球升空模拟系统的实现方法,提出了单个气球、串式球和混合式3种系留气球设计方案。利用该系统设计了系留气球模型并对其升空过程进行了模拟,和已有相似方案的对比结果,表明了该系统对实际系留气球设计有指导作用。     

某型系留气球空中逃逸仿真分析

系留气球现已应用到许多领域,针对可能出现的主要问题,有些无法用实验手段进行验证,因而采取计算机仿真加以研究。介绍了系留气球的工作状况,描述了空中逃逸的飞行过程,通过建立动力学模型的数学方程式,仿真了升空高度和升降速度与时间的关系。对同型系留气球的设计方法提供参考,为浮空器使用安全提供帮助。     

剩余浮力对系留气球静平衡特性的影响分析

在进行系留气球总体方案设计时,剩余浮力的选择直接影响到系留气球气囊和副气囊体积等参数的设计,剩余浮力选择不当将造成研制成本的增加或静平衡特性指标无法实现。因此,对同一系留气球不同剩余浮力,及两种不同体积的系留气球在相同剩余浮力时的静平衡特性进行计算与对比分析。结果表明:对同一体积的系留气球,剩余浮力对系留气球俯仰角、高度损失和水平漂移量影响较大,且剩余浮力越大,其俯仰角、高度损失和水平漂移量越小;随着系留气球体积的增大,剩余浮力对系留气球高度损失和水平漂移量的影响将逐渐减小。     

系留气球结构强度性能评估方法研究

基于系留气球外场放飞试验中各典型结构部位的应变、过载与风速的实测结果,利用概率统计学与可靠性理论,提出了一套可行的应变与过载统计处理方法;给出了典型使用环境下气球结构的应变——概率统计结果,以及不同风速下的应变区间包线。并结合材料性能验证试验,建立了一个系留气球结构的强度性能评估方法。     

基于气象数据系留气球状态参数计算

为分析系留气球在实际应用地气象条件下的系留状态，基于标准大气模型分别在标准大气和实际气象测量的参数下对系留气球主要状态参数重量、重心、0风速平衡俯仰角进行计算。结果表明，应用实际气象数据参数计算的结果会在标准大气计算结果的基础上呈现波动变化。通过不断积累气象数据，利用系留气球实际应用地气象参数计算可对后续系留气球设计进行指导，使系留气球更好地在任务地点使用。     

基于系留气球的空中视频监控在城市反恐中的应用研究

系留气球是依靠浮力升空执行任务的一类飞行器,其搭载摄像机升空,可从空中实现对地面的视频监控,可成为城市反恐的重要技术手段。分析了系留气球空中视频监控的原理及特点,并对其在城市反恐作战中的应用进行了初步的研究,可为系留气球在该领域的推广应用提供一定的参考。     

系留气球空中系留系统研究

介绍系留气球空中系留系统的组成,主要包括系留缆绳、旋转铰链、系留拉索和系留抓手等。对空中系留系统进行受力分析,详细阐述各部分的设计特点及设计准则,对系留气球空中系留系统研制具有一定的参考价值。     

系留气球纵向稳定性分析

系留气球是一种应用广泛的空中平台。其运动特性是球体和系留缆绳两者的复合,总体气动布局、系留缆绳参数及风场环境对其稳定性影响非常显著,运动模态不同于一般飞行器。本文通过对球体和系留缆绳的受力特性分析,建立了其纵向运动学方程及其运动学方程的求解方法,分析了在不同风场环境下的运动模态,并数值仿真了在阵风作用下球体和系留缆绳的动态响应特性。     

系留气球地面系留状态气动分析

系留气球地面系留状态气动力与系留气球安全密切相关。由于受地面影响,气球地面系留状态气动特性比空中系留状态更复杂。使用ANSYS Workbench平台研究了系留气球在地面系留状态的气动力,并与空中系留状态气动力进行了比较。研究了地面效应、系留高度和系留俯仰角对系留状态系统稳定性的影响。结果表明:气动力地效影响因素比较复杂,没有简单的规律可循。提出了地面系留状态气动设计的一般原则和建议。在计算中,充分利用了ANSYS Workbench的参数化设计点功能,有效提高了工作效率。     

系留气球系统三拉索收放状态建模与仿真

系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力,并用缆索拴系固定的浮空器。系留气球、三根机械拉索、地面转动梁等构成系留气球三拉索收放系统,综合考虑收放系统中三拉索的运动特性,采用Matlab/Sim-ulink工具对近地三拉索收放运动进行系统建模,建立了整体的三拉索收放运动状态的仿真模型,仿真结果表明：仿真计算结果与实际飞...     

地面系留设施万向滑轮结构优化设计

基于系留缆绳换向及缆绳拉力和倾角的测量,提出了一种优化的机动式系留气球万向滑轮结构设计方案,描述了万向滑轮结构形式、材料选择及工艺实现等,采用三维建模及有限元分析相结合的方法,对万向滑轮结构进行校核分析。结果表明,该结构满足刚度和强度要求,具有较广泛的工程应用价值。     

带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究

为研究迎角对钨杆斜侵过程的影响,开展了带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究。仿真中采用SPH方法,Shock状态方程和Steinberg本构模型。钨杆共有两种尺寸,分别为Φ10mm×23mm和Φ10mm×46mm。铝板厚10mm,撞击速度为2km/s,撞击角度为60°。为简化分析,将迎角分解为俯仰角和偏航角,其中俯仰角范围为-90°～90°,偏航角范围为0°～90°。对钨杆侵彻过程的分析结果表明：斜侵彻存在临界迎角,在临界迎角范围内钨杆所受力矩可忽略不计;在临界迎角范围外,钨杆将发生弯曲甚至折断。对钨杆的剩余质量分析结果表明：当偏航角为0°且钨杆未折断时,剩余质量只在较小的范围内变化;当俯仰角为0°时,剩余质量随迎角增加线性减小。对钨杆的剩余速度分析结果表明：偏航角对剩余速度的影响与俯仰角对剩余速度的影响基本一致,剩余速度曲线关于0°迎角基本对称。根据仿真结果,采用曲线拟合的方法给出了钨杆斜侵彻铝板的剩余速度经验公式。     

侧风下直升机水上迫降模型试验研究

为了研究侧风对直升机水上迫降性能的影响，开展了侧风环境模拟技术研究和模型着水试验，研究风扇桨叶角、风扇间距对侧风风速的影响以及侧风风速对直升机模型姿态角、过载和底部压力的影响。结果表明，风扇采用18°桨叶角方案比采用15°或20°桨叶角方案更优；风扇间距比为1.66时侧风风速分布均匀；有侧风时，对模型俯仰角几乎没有影响，横滚角幅值较大且难以稳定；随着侧风速度增大，重心过载逐渐增大、对称面和近侧风端的底部压力增大、远离侧风端的底部压力减小。     

基于Kane方程的拖曳式诱饵释放过程动态特性分析

研究了航空拖曳式诱饵释放过程中的动态特性。根据诱饵的运动状态,将释放过程划分为自由状态、放索状态和拖曳状态。利用Kane方程建立了拖曳式诱饵释放的多体系统动力学模型,其中拖索离散为若干段刚性杆,诱饵视为刚体与拖索铰接,其上的作用力包括铰约束力、气动力和重力。针对放索过程中第1个索段质量时变引起的变质量动力学问题,采用Generalized-α算法进行时域求解。在此基础上分析了载机不同飞行高度、飞行速度、拖索释放速度以及拖曳点位置对诱饵释放过程中动态特性的影响。结果表明:在低空高速下释放,诱饵的俯仰角幅值较小,质心相对位置变化较稳定,收敛速度较快,但载机飞行速度过大时,诱饵容易靠近载机尾流区并受其影响;放索速度增大时,诱饵俯仰角幅值增大,质心会出现纵向沉浮运动;拖曳点远离重心时,俯仰角震荡幅值增大,当靠近重心时,收敛性变差,应合理设计并优化拖曳点位置和放索速度。     

航空拖曳诱饵的释放过程研究

建立了航空拖曳诱饵系统的物理数学模型,并对诱饵释放过程中,系统的动态特性进行了仿真研究。应用集中质量法,将柔性拖曳缆绳离散为一系列由阻尼弹簧连接的节点,建立了缆绳的动态模型;对诱饵进行受力分析,建立了诱饵的六自由度模型;提出了缆绳与诱饵的耦合条件,以使模型更加完整。对诱饵释放过程中系统的动态特性进行了仿真研究,给出并分析了缆绳的形状、张力和诱饵的姿态角等参数的变化规律。结果表明,载机飞行马赫数越大,缆绳下沉量越小,因此,应控制释放过程中载机最大飞行速度,以避免缆绳进入载机的高温尾喷流区。为避免出现"鱼钩"现象,应尽量减小诱饵的释放初速度与载机空速方向的夹角。按梯形速度释放诱饵时,缆绳中拉力的最大值比匀速释放诱饵时要小,且诱饵的俯仰角变化没有匀速释放时剧烈,因此建议以梯形速度释放诱饵。     

净升力对临近空间浮空器上升航迹的影响分析

基于临近空间浮空器动力学与热力学耦合关系,研究分析上升过程飞行航迹与内部气体热性能。建立临近空间浮空器初始充气量模型、热模型和上升过程动力学模型,通过飞行试验验证了数学模型的准确性。仿真计算了某高空科学气球的上升航迹,得到了气球净升力对爆破高度、速度等飞行航迹性能参数的影响,分析了参数变化规律与变化原因。研究结果表明,随着净升力的增加,爆破高度迅速降低,而气球上升速度逐渐上升,且上升速度的增大比爆破高度的减小相对于净升力的变化更加敏感,表明气球的净升力对航迹性能参数存在重要影响。研究结果可为临近空间浮空器设计、试验和应用提供理论参考。     

航空拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力仿真

为解决航空拖曳诱饵系统研制过程中拖曳缆绳强度设计问题,对拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力进行了仿真研究。仿真中建立了缆绳的质量弹簧阻尼模型和诱饵弹的六自由度动力学模型,研究了直线加速和机动转弯2个典型飞行动作中缆绳受力情况,分析了载机加速度、飞行高度、缆绳弹性模量、缆绳直径等因素对缆绳张力的影响。结果表明：缆绳中张力大小不仅与诱饵弹、缆绳的气动阻力、重力有关,还与它们的惯性力有关;由于张力在缆绳中传递存在时滞性,机动过程中缆绳张力存在波动现象,波动的剧烈程度与载机加速度、缆绳弹性模量、缆绳直径有关;机动转弯过程中,缆绳会承受一个较大的峰值应力,该应力随着转弯角速度的增大而增大。