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返回舱着水冲击模拟及其影响因素分析

张虚怀  
【摘要】:作为载人航天活动的最后步骤,飞船的返回过程是载人航天任务成败的最终标志,返回舱在着陆或着水的瞬间会产生较大的冲击力,会对舱体以及舱内的宇航员及相关设备产生较大的影响,如果保护不善还可能造成损坏或损伤,所以,研究返回舱返回时的冲击响应具有重要意义。 利用有限元方法来模拟入水问题在国外已有多年的研究,但是在国内还未见相关文献将其运用于返回舱的着水冲击模拟。本文基于Ls-Dyna的有限元分析环境,通过研究其中液固耦合和ALE这两种相关算法,建立了包括舱体、水和空气三部分的入水问题有限元模型。并通过对算法中可能影响计算结果的各参数的讨论和分析,确定了相关参数,经过模拟计算成功地得到了包括舱体入水冲击最大加速度在内的一系列数据。这些计算结果与相关文献提供的经验公式和相关部门的试验数据结果在最大冲击加速度等指标上均较为吻合,由此验证了所建立的有限元模型的有效性,可用于对返回舱着水冲击问题的模拟分析,可为以后的相关试验和返回舱设计提供参考。 本文分析了影响舱体入水冲击的各个工况参数,围绕竖直入水速度、水平入水速度、舱体的俯仰角、侧倾角和滚动角等五个参数,应用正交试验设计方法,进行了三组试验设计,经过分析得到了五个因子中仅有竖直入水速度影响显著的结论,也得出了响应的影响大小排序。根据实际着水问题固定竖直速度和滚动角的情况下,试验设计分析的结果为俯仰角、侧倾角以及二者的交互效应都比较显著。补充试验单独分析滚动角的结果为滚动角影响不显著。 为了得到更加清晰直观的着水冲击响应特性,本文也进行了两组全面实施试验,得到了相应的着水冲击的竖直速度、俯仰角、侧倾角单因子响应特性,以及两因子的速度响应面和角度响应面,由此可以得到对最大冲击加速度比较直观的定性估计。另外本文在数据分析中也利用试验数据建立了回归方程,得出了最大冲击加速度拟合公式,可以定量地对最大冲击加速度值进行估计。


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