專利名稱：基于fsi的復雜折疊織物逆向建模方法
技術領域：
本建模方法涉及折疊織物逆向建模研究，首次采用基于流固耦合逆向建模技術來 模擬氣囊未展開時的形狀外形，有效模擬多維空間復雜的自然褶皺，解決了特種氣囊折疊 問題。
背景技術：
建模是計算仿真過程中重要的部分，一般建?；ㄙM整個仿真過程一半以上的時 間。氣囊模型的好壞將直接影響充氣過程中囊體外形的變化，以及最終仿真是否成功。目 前，氣囊的折疊方法可以歸結為兩種直接折疊法和初始矩陣法(IMM)。直接折疊法按照氣 囊的實際折疊方式建立相應的有限元網格，主要針對簡單的二維氣囊；初始矩陣法可以對 三維氣囊進行折疊，選取一個可以展平的簡單幾何形體(如長方體、梯形體等)建立有限元 網格，映射實際氣囊的幾何形狀。但無論哪種方法都局限于外形簡單氣囊，對外形特殊軸徑 比大的氣囊，存在復雜折疊情況的特殊氣囊建模無法適用。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是針對現有技術存在的缺陷提，解決特種氣囊建模問題，供一種基于 FSI的復雜折疊織物逆向建模方法。本發(fā)明為實現上述目的，采用如下技術方案
本發(fā)明基于FSI的復雜折疊織物逆向建模方法，包括以下步驟 第一步對整個氣囊劃分網格
使用三角形單元對囊體劃分網格，流場使用六面體網格；織物使用殼結構單元，穿插于 流場網格中；
第二步對氣囊進行分段流固耦合計算建立折疊模型
非計算部分為剛體即不可發(fā)生變形；逆向折疊部分為織物材質，在流體作用下織物材 質的囊體將發(fā)生變形
流場控制方程由質量方程、動量方程和能量方程組成，分別為
dp — B^i dp
--=—ff-.··" ---
dEQE
P^t=+PbiVi-PWj
式中兮表示物質速度；巧表示相對速度Wl=Vf-Ui ；Uf表示網格的速度Oe表示應力 張丨I^g = -P^i + fK^ij + Vj))；、表示單位體積力；今表示Kronecker S ~函數；網格控制方程為
df (X^t) d(^t) t r dj^t)
at at 1 at
為表示拉格朗日坐標，巧表示歐拉坐標；巧表示相對速度； 結構控制方程為
Mw+Cw+Kw-F
其中#、〔#分別表示單元質量、阻尼模量和彈性模量f表示膜單元所受合力； 采用顯式的松散耦合方法進行計算在起始步將流固耦合界面的形狀作為流場的邊界 進行流場求解，計算出流固耦合界面上的流體力，然后把求得的流體力當作耦合面上的荷 載，計算氣囊的結構變形，得到新的流固耦合界面位置；不斷重復上述交互過程，直至達到 預訂求解時間或者問題收斂；
第三步對折疊后的單元進行調整
將囊體單元應變小于0.01，并且折疊后囊體高度在設計范圍內的囊體單元導出；在相 關的前處理軟件中進行優(yōu)化調整，消除囊體單元間交叉和重疊現象； 第四步對其余部分繼續(xù)折疊
將已經折疊好的囊體和非計算部分設置為剛體，對下一段囊體進行逆向折疊，重復第 二步至第三步，直至囊體完全折疊完畢。本發(fā)明的有益效果是模型符合工程實際，結果可靠。


圖1未逆向折疊時的氣囊模型； 圖2逆向折疊段的單元；
圖3單元調整； 圖4逆向折疊后的氣囊模型；
圖5 (a)基于FSI的逆向折疊模型與(b) —般折疊模型充氣后對比。
具體實施例方式下面以某特種氣囊為例進行建模
首先，使用前處理軟件對氣囊劃分網格，使用三角形單元劃分氣囊，流場用六面體劃 分，并對囊體網格進行分段，對其中一段進行折疊建模(圖1所示)。對上述氣囊建立FSI模型，設定流體從囊頂向下作用于囊體。入口氣體是溫度為 298K的空氣，其速度是SftBh，質量流量為。折疊部分材質設定為織物，彈性模量為
5E8Pa，泊松比為0. 2，密度為870電/m3，其余部分設定為剛體。在囊體發(fā)生變形過程中，將囊體單元應變小，并且折疊后高度處于允許范圍內的 瞬時單元導出(圖2)。在前處理軟件中進行微調整，單元節(jié)點位移量設定為0. 05·(圖3)， 以保證模型在充氣后與設計外觀、尺寸一致。重復以上過程，直至氣囊完全折疊(圖4)
為了驗證逆向折疊建模的可靠性，圖5為逆向建模法與一般折疊法得到模型在充氣后外形的對比，可以發(fā)現逆向折疊建模單元未發(fā)生畸變，沙漏變形控制在一定范圍內，保證了 囊體充滿后囊體外表飽滿。而一般折疊法建模非常困難，在充氣過程中，外形與設計外形嚴 重不符，單元發(fā)生畸變，以至于無法繼續(xù)計算?；诹鞴恬詈夏嫦蚪３錃夂竽殷w尺寸與設 計囊體尺寸對比，可以發(fā)現囊體與實際外形一致(表1)，如果不考慮充氣后囊體發(fā)生彈性變 形，逆向建模得到的模型充更加接近設計尺寸。 表1基于流固耦合逆向建模充氣后囊體尺寸與設計囊體尺寸對比
囊體結構高度設計尺寸充氣后尺寸半球狀頭部0. 3m0.327m圓柱狀中部1. 5m1.512m圓錐狀尾部Im1. 154m
權利要求
1. 一種基于FSI的復雜折疊織物逆向建模方法，其特征在于包括以下步驟 第一步對整個氣囊劃分網格使用三角形單元對囊體劃分網格，流場使用六面體網格；織物使用殼結構單元，穿插于 流場網格中；第二步對氣囊進行分段流固耦合計算建立折疊模型非計算部分為剛體即不可發(fā)生變形；逆向折疊部分為織物材質，在流體作用下織物材 質的囊體將發(fā)生變形流場控制方程由質量方程、動量方程和能量方程組成，分別為
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于FSI的復雜折疊織物逆向建模方法，所述方法如下(1)對完全或部分展開的氣囊劃分網格；(2)對氣囊進行分段流固耦合計算，建立各段折疊模型；(3)將單元應變較小，并且折疊后囊體高度在允許范圍的瞬時單元導出；(4)對囊體單元進行細微調整，消除囊體單元間交叉和重疊現象；(5)將已經折疊好的囊體設置為剛體，對其余部分繼續(xù)采用(2)-(4)的步驟，直至完成囊體的逆向折疊。本發(fā)明首次采用流固耦合逆向建模技術對復雜折疊氣囊進行折疊建模，有效模擬多維空間復雜的自然褶皺，解決了軸徑比大、存在復雜折疊情況有特殊要求的氣囊建模問題，大大提高特種氣囊工作過程仿真成功率。
文檔編號G06F17/50GK102004820SQ201010536399
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權日2010年11月9日
發(fā)明者余莉, 劉雄, 呼政魁, 張繩, 程涵 申請人:南京航空航天大學