软着陆气囊缓冲特性与参数设置的理论研究

摘 要 本文将软着陆气囊的缓冲过程分解为绝热压缩和排气释能两个过程,从热力学和刚体动力学的基本方程出发,建立了软着陆缓冲过程的理论分析模型,并给出了缓冲响应的数值计算方法。针对立式软着陆气囊的参数设置和缓冲响应估计问题,给出了固定排气口型气囊和可控排气口型气囊相关参数的设计方法,同时以一个无人机模型的软着陆回收为例进行了缓冲响应仿真。基于简化模型及缓冲过程状态参数-时间特性曲线,分析研究了未设置排气口、固定型排气口与可控型排气口气囊的缓冲特性及其应用优劣,为工程与研究人员提供了气囊尺寸估算、缓冲系统性能预测、排气口面积选择与主动控制律设计的理论依据,研究结果具有明确的工程参考价值。     

气囊排气口开启控制方式试验研究

排气式气囊的排气口开启控制方式一般可以分为压力控制和加速度控制等两种。为研究排气口开启控制方式对气囊缓冲特性的影响,设计了两种排气控制式气囊,建立了回收载荷-气囊系统室内跌落试验平台,并对两种排气控制方式气囊进行跌落试验。试验结果表明,设计的加速度开关工作可靠,加速度控制式气囊实现了两侧排气口同时打开;在带倾角跌落时,加速度控制式气囊的着陆稳定性较好;随着加速度控制式气囊加速度开关阈值的增大,气囊排气口开启时机越晚,排气口开启之前气囊吸收更多的能量,导致气囊内压和冲击加速度增大。     

自充气式气囊缓冲特性试验研究

自充气式缓冲气囊利用缓冲系统的自重实现气囊下落时的展开和充气,具有结构简单、使用方便和工作可靠等特点。本文分别对排气口常开和排气口粘结2种自充气式气囊进行室内投放试验,研究着陆初速度、载荷质量对气囊缓冲特性的影响,并研究排气口开合状态对排气口粘结气囊缓冲特性的影响。试验结果表明,气囊内最大压强与着陆初速度和载荷质量均呈正比关系,加速度峰值与着陆初速度呈正比,与载荷质量成反比,排气口粘结时气囊缓冲效果较好。     

重装回收系统双气室气囊缓冲特性分析

为了得到气囊主要参数对缓冲特性的影响规律,利用重装的动力学方程、气体热力学基本方程和排气口流量方程建立了双气室气囊的解析模型,并采用Hyperworks对其有效性进行了验证。利用该模型对双气室气囊缓冲特性进行了研究,结果表明,初始压强、主辅气囊排气口面积以及气囊体积比对气囊缓冲特性有显著的影响。增加主气囊初始压力和气囊的体积比可以降低气囊缓冲过程中的最大冲击过载,重装触地速度有所提高;主辅气囊排气口面积过小,释能不充分,气囊将发生反弹,排气口面积过大,能量转化不够,重装触地速度较高。     

圆柱筒式空投气囊缓冲模拟

目的研究某空投缓冲系统圆柱筒式气囊的缓冲过程,得出缓冲特性曲线,并校核装备冲击过载。方法基于有限元理论,利用Ansys中的显示动力学分析软件LS-DYNA建立气囊缓冲系统的有限元模型,采用粒子法,对气囊缓冲过程进行数值模拟,并与传统气囊仿真所使用的控制体积法进行对比。结果经模拟得出空投着陆缓冲过程中气囊排气口打开时间为63.4 ms,缓冲过程中的最大过载为13.3g,获得了缓冲高度、货台加速度等特性的变化规律。将气囊缓冲特性与使用传统的控制体积法仿真的结果进行了对比,排气口打开时间误差为10.7%,最大过载误差为8.6%。结论 2种方法的结果对比一致性较好,验证了粒子法进行缓冲气囊模拟的可行性,同时使用圆柱筒式气囊缓冲的最大过载满足装备空投对过载不超过20g的要求。     

主辅式气囊排气口设置及其阈值参数研究

目的分析主辅式气囊排气口面积与开启气压阈值对气囊冲击加速度、速度等缓冲特性产生的影响,以提高气囊缓冲性能。方法根据动力学与热力学相关理论建立排气口有开启阈值的主辅式气囊理论模型。结果增大主气囊排气口面积可使载荷加速度第1峰值减小,第2峰值增大,增大主气囊排气阈值效果相反;增大辅气囊排气口面积,载荷第2加速度峰值减小,增大辅气囊排气阈值效果相反。结论通过文中的解析模型合理设计了主、辅气囊排气口面积,对主气囊排气口设开启阈值可有效降低气囊过载,提高了气囊缓冲性能。     

着陆气囊缓冲过程数值模拟研究

目的 对某大型空降装备着陆缓冲系统的可排气型气囊缓冲过程进行数值模拟研究。方法 基于有限元方法, 建立着陆缓冲系统的有限元模型, 采用控制体积法, 利用显式动力分析软件LS-DYNA对着陆气囊的缓冲过程进行数值模拟, 分析了气囊缓冲过程中气囊内压、 气囊剩余高度和气囊排气速率等特性的变化规律, 以及气囊织布的弹性模量、 排气压力和排气口面积等主要参数变化时对气囊缓冲特性的影响规律。结果 对气囊的缓冲特性影响较大的参数为气囊的排气压力和排气口面积, 当气囊织布的弹性模量高于0.2 GPa时, 弹性模量的变化对气囊的缓冲特性影响较小。结论 研究结果可为工程人员进行气囊初始设计和对气囊缓冲过程进行模拟仿真提供参考。     

考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性研究

对缓冲气囊模型进行合理简化,从能量守恒和热力学基本方程出发,计入气囊织布弹性势能的影响,建立了缓冲气囊的物理解析分析模型,同时采用LS-DYNA对其有效性进行了验证。并基于该模型,进行了水平圆柱式气囊缓冲特性的研究。研究结果表明对于带固定排气口的水平圆柱式气囊,忽略织布弹性,得到的最大冲击过载值要比弹性织布气囊低,若织布的弹性模量小于0.2 GPa时,织布弹性对缓冲性能的影响更加突出。初始充气压力以及排气口面积对此类气囊缓冲特性同样有显著的影响。增加初始充气压力可以降低气囊缓冲过程中的最大冲击过载,但是有效载荷触地速度有所提高。排气口面积过小,释能不充分,气囊将发生反弹,排气口面积过大,能量转化不够,有效载荷触地速度较高。     

载人防护缓冲气囊座椅的优化设计

针对设备载人空投过程中乘员防护的问题,设计出一种对乘员人体进行防护的缓冲气囊座椅,并采用MADYMO软件建立了缓冲气囊座椅数值模型,模拟该设备载人空投着陆中缓冲气囊座椅对乘员的缓冲过程。以减少人体的颈部损伤和胸部损伤为优化目标,利用微型多目标遗传算法对缓冲气囊座椅的充气质量、排气孔面积、排气压差以及缓冲气囊护颈的充气质量进行优化。该优化设计不但可以减少气囊座椅设计实验次数从而降低实验的成本,而且在载人空投防护技术领域具有一定的实际工程意义。     

基于磁流变弹性体的缓冲装置设计及其冲击响应特性研究

利用聚氨酯基磁流变弹性体,结合ANSYS有限元仿真,设计制作了一种剪切式磁流变弹性体缓冲装置。搭建自由跌落冲击试验系统和冲击响应谱试验系统分别测试了该缓冲装置的冲击响应特性,研究了在不同磁场下缓冲装置的缓冲性能。实验结果表明在自由跌落冲击和冲击响应谱两种试验中,所设计的磁流变弹性体缓冲装置都具有较高的缓冲率,且装置的缓冲率随着磁场的增加而增大,表明磁流变弹性体缓冲装置起到了一定的缓冲作用,且可以实现外加电流对其缓冲效果的控制,该研究为磁流变弹性体在半主动/主动隔振缓冲领域的应用做出了有益探索。     

基于可控性柱面网壳结构主动控制作动器布置的优化研究

利用磁致伸缩材料的磁控特性制作的作动器可以对结构进行主动控制。首先分析了这种作动器的工作原理和设计方法,并通过实验对其进行了输出性能测试。接着在对作动器进行动力学建模的基础上,推导出整个柱面网壳结构的作动控制方程,同时基于作动效率,提出了不依赖于控制方法的位置优化准则,并且在综合考虑控制效果系数、硬件成本和系统复杂性等因素的基础上,初步确定了作动器的数量,然后采用遗传算法,对作动器的布置位置进行了优化。最后利用LQR主动控制算法,对一柱面网壳模型结构进行了主动控制分析。结果表明,通过优化布置的作动器能够有效地减小结构的动力反应,是一种较好的主动控制方法。此外,主动控制模拟结果也验证了应用遗传算法优化此类问题的优越性和可靠性。     

回收用缓冲气囊关键技术研究进展

目的综述国内外回收用缓冲气囊关键技术的研究进展,为缓冲气囊在大型舱体回收中的应用与研究提供基础。方法通过对国内外研究现状和研究成果的分析和总结,介绍国内外在缓冲气囊的关键技术(气囊充气技术、排气孔爆破压力控制技术、排气孔面积控制技术和气囊增压技术)方面的研究进展,最后对气囊试验验证技术进行分析梳理。结论国内在回收用缓冲气囊关键技术上的研究,尤其是在大型舱体回收中的应用研究较少,还需要借鉴国外成功经验,进一步深入研究回收用缓冲气囊的关键技术,为缓冲气囊在重型装备和航天器回收中的应用提供支持。     

基于代理模型的空投装备气囊缓冲系统多目标优化

基于有限元法和控制体积法建立装备-气囊系统有限元模型,并采用试验数据对模型进行验证。复杂气囊系统着陆缓冲过程仿真计算资源消耗大,难以应用传统迭代方法进行参数优化。为克服这些问题,结合扩展拉丁超立方设计,以最大着陆冲击加速度和最大翻转角度为响应,采用径向基函数构建代理模型。在代理模型基础上,利用多目标遗传算法对主气囊高度、横向宽度及排气孔面积等气囊缓冲系统参数进行了多目标优化。优化结果表明:优化后最大冲击加速度减小了15.5%,最大翻转角度减小了70.3%,缓冲性能与横向稳定性均有所提高。     

智能桁架结构振动的仿人智能控制

为了研究高效实用的智能结构控制方法，将仿人智能控制（HSIC）应用于带压电作动器的空间桁架结构的振动主动控制，针对其稳定性差的缺点，提出包括模糊控制策略在内的三种改进方法。在Simulink中对三棱柱智能桁架结构的振动控制进行了仿真，并在MATLAB／dSPACE综合实验环境下进行了多种激励条件下的物理仿真实验。仿真和实验均使结构的一阶振幅迅速降低90％以上，对高阶频率的振动控制也取得满意的效果，表明HSIC能更快地控制结构振动，改进后的HSIC较好地解决了控制过程中快速性、精确性与稳定性之间的矛盾。     

磁控形状记忆合金作动器设计及其控制效果

为探索磁控形状记忆合金（MSMA）可作为一种在振动控制领域中可推荐的新型智能驱动材料,在对其力学性能的研究中,给出其输出控制力的变化规律,继后自行研制MSMA作动器,确定MSMA材料的外形尺寸、变形恢复装置、磁路设计等重要的因素。建立平面直径为80m单层球面网壳结构,按照三种方案设置基于MSMA作动器的控制元件,并应用反应谱计算了竖向地震荷载作用下的响应,通过和无控结构的响应进行对比分析取得MSMA的控制效果。结果表明,MSMA主动控制元件对大跨网壳结构的振动控制效果很明显,是一种理想的智能驱动材料,有着广阔的应用前景。     

基于自带智能保护装置理念的小型家具柜设计

目的 针对家具柜容易倾翻,从而引发重大伤亡事故,其中对幼儿等弱势群体伤害尤为明显的问题。方法 在分析多种原因的基础上,提出一种自带智能保护装置理念的小型家具柜设计。对传统的家具柜结构进行重新设计,在家具柜的顶层箱体板内加入智能安全保护控制系统,该保护控制系统主要包括安全气囊模块、测量水平位置的倾角开关、MSP430微型处理器主控模块、电源供电模块、报警提示器。结果 当家具柜倾翻时,保护控制系统的主控模块可以检测到电器产生的触发高电平信号,进而控制安全气囊模块工作,迅速展开气囊对儿童等弱势群体形成有效缓冲保护,同时打开报警提示器,提示家人及时施救。结论 整个设计理念对家具设计智能化、安全化发展提供一定的创新思考与价值。     

尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性分析

为了深入研究尺蠖型压电驱动器的性能，分析了尺蠖型压电直线驱动器的工作原理，研究了直线动子对驱动器性能的影响．通过实验方法分析了钳位机构调整前后对钳住稳定性的影响．采用驱动器输出单步位移的步距失稳系数和驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率的方法评价尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性．经实验测试发现驱动器的步距失稳系数与驱动电压关系密切，当驱动电压较高时，驱动器具有较好的步距稳定性．驱动器的驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率分别为1．8％和9．07％，说明所开发的驱动器具有很好的运动稳定性．     

基于希尔伯特变换的舵机系统间隙参数辨识及试验方法

针对舵机间隙参数辨识问题,设计了间隙可调的试验装置模拟舵机传动机构的间隙,以静载突卸方式使其产生自由振动,应用基于希尔伯特变换的自由振动分析方法得到双折线弹性力曲线并辨识间隙参数。并进一步应用于真实飞行器舵机间隙的辨识中。该试验方法获取的振动数据信噪比良好;辨识结果表明本文方法可更为准确的识别出舵机间隙参数,工程评估结果更为安全,对于小型舵机具有良好的适用性。