一种基于光学形貌测量的单层滑翔伞气动特性分析方法

技术领域

本发明属于降落伞气动特性分析技术领域，尤其涉及一种基于光学形貌测量的单层滑翔伞气动特性分析方法。

背景技术

滑翔伞是能够产生与来流方向垂直的力的降落伞，为了对气流有较好的引导效果通常采用微透气量材料制作，在稳态滑翔过程中透气性可忽略不计。

对降落伞进行气动特性分析是进行采用科学方法进行优化设计的必要步骤。目前主要涉及仿真与试验两类技术。

现有降落伞试验技术主要是对伞系统进行力学测量。该方法存在测量结果波动大，无法全面获取结构应力和流场分布等问题，难以进行深入分析。

降落伞试验中还可采用光学测量的方法。目前采用光学测量主要是测量系统整体的运动轨迹，对系统内部状态进行高精度光学测量的方式在降落伞领域应用非常少，在单层滑翔伞上尚无应用。

现有降落伞仿真分析技术存在计算难度大，结果准确性低等问题，主要分为计算流体力学(CFD)和流固耦合(FSI)两类。其中采用流固耦合方法仿真时受误差累积的影响，计算结果易发散难以收敛至平衡状态，即使能输出稳定的计算结果往往也与力学测量数据存在非常大的出入，且该方法对算力的要求较高。

计算流体力学方法目前已较为成熟(高效准确)，但该方法只能对无透气性的刚体进行分析，降落伞为柔性透气结构，采用该方法仿真时需要输入降落伞充气后的张满气动外形并作刚体假设，而目前缺乏获取降落伞准确张满气动外形的理论支撑。

目前对降落伞，尤其是滑翔伞进行气动特性分析和优化时通常需要开展大量试验以获取足够多的力学测量样本，物资与人力资源投入巨大；而采用仿真分析的方法目前只能给出定性的参考性结论，目前无法实现定量分析。

发明内容

发明目的

为了克服现有试验方法成本投入过高且难以进行深入分析，而仿真技术存在计算难度大，结果准确性低等问题，更好地对现有各类技术进行融合互补，帮助设计人员进行单层滑翔伞气动特性分析和优化，本发明提供了一种利用光学测量手段获取气动外形作为仿真输入的分析方法。

发明技术解决方案

一种基于光学形貌测量的单层滑翔伞气动特性分析方法，包括以下步骤：

(1)制作研究对象单层滑翔伞的测试件，其伞衣上分布有可被光学辨识的特征点；

(2)根据步骤(1)中测试件的尺寸与材料属性1:1建立几何模型，在伞衣下方与伞衣几何中心的距离为H的位置设置负载悬挂点；

(3)将负载悬挂点固定在距离风洞中心H处的测力天平上，将伞衣预置于风洞中心，从0开始增加风洞流速，待伞衣在流场中张满稳定后将测试件上的多余约束去除，仅保留负载悬挂点处的约束；

(4)记录测试件在流场中稳定张满形态的影像，判读单侧伞衣上的所有的特征点，进行数据处理获取各特征点坐标，并将各边缘上的特征点拟合为函数曲线；

(5)对按步骤(2)建立的几何模型进行离散以获得有限元模型并进行获取伞衣张满后的几何模型；

(6)将按步骤(5)仿真获取的伞衣离散坐标点云导出，与按步骤(4)获取的特征点坐标进行对比，使综合误差不超过设定值；

(7)以按步骤(4)获取的各关键点坐标为基准，对步骤(6)中导出的点云模型进行修正和拟合，获取完整的伞衣张满外形曲面解析模型；

(8)对步骤(7)中获取的伞衣张满外形曲面用计算流体力学(CFD)方法进行仿真，获取该状态下单层滑翔伞的稳态气动特性；

(9)调整研究对象的结构，重复步骤(1)～(8)，分析不同结构下单层滑翔伞稳态张满外形和稳态气动特性的变化规律，参考通过步骤(5)仿真计算获取的数据进行分析，根据设计目标对单层滑翔伞进行结构优化。

优选的，步骤(1)中伞衣上各关键部位都具有特征点清晰的图案作为可被光学辨识的特征点。

优选的，步骤(4)中采用多目立体视觉测试方法记录伞的影像。

优选的，步骤(4)中在稳定张满的测试件前后分别布置高清摄像机。

优选的，步骤(5)中仿真计算时设置与步骤(4)测试时相同的环境参数。

优选的，步骤(5)中采用任意拉格朗日－欧拉法进行仿真计算。

优选的，步骤(6)中综合误差不超过5％。

优选的，步骤(8)中稳态气动特性包括单层滑翔伞产生的升力、阻力、周围流场的压力分布。

优选的，步骤(9)中参考通过步骤5计算获取的伞结构上的应力分布进行强度分析，根据设计目标对单层滑翔伞进行结构优化。

本发明的优点：该分析方法针利用现有技术对单层滑翔伞气动特性分析中的关键因素进行高精度的测量，克服了利用目前较成熟的CFD方法开展柔性结构降落伞气动特性分析最关键的障碍，通过对现有技术的融合互补扩展了现有仿真技术在单层滑翔伞气动特性分析上的能力边界，使之可以更好地用于辅助分析从而大大减少试验投入，并提供更加准确且全面的数据用于对单层滑翔伞的特性机理进行深入分析，帮助设计人员更加深入地理解和掌握单层滑翔伞设计技术。该方法流程清晰可操作性强，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种基于光学形貌测量的单层滑翔伞气动特性分析方法的流程框图。

图2为本发明中的研究对象单层滑翔伞的伞衣平面图例。

图3为本发明中的研究对象单层滑翔伞的理论几何模型图例。

图4为风洞光测示意图例。

图中：1-伞衣，2-伞绳，3-测量天平，4-摄像机B，5-摄像机A。

具体实施方式

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

参照图1～图4，一种基于光学形貌测量的单层滑翔伞气动特性分析方法，包括以下步骤：

(1)制作研究对象单层滑翔伞的测试件，其伞衣上分布有可被光学辨识的特征点；在本实施例中，伞衣平面形状如图2所示，点O为伞衣平面的几何中心，伞衣材料具有均匀分布且交点清晰的网格图案。

(2)根据步骤(1)中制作样件的尺寸与材料属性1:1建立几何模型，如图3所示，记其中负载悬挂点P到伞衣几何中心P的距离为H；

(3)将负载悬挂点固定在距离风洞中心H处的测力天平上，将伞衣预置于风洞中心，从0开始增加风洞流速，待伞衣在流场中张满稳定后将测试件上的多余约束去除，仅保留负载悬挂点P处的约束，如图4所示；

(4)采用双目立体视觉测试方法，在稳定张满的单层滑翔伞前后分别布置高清摄像机，具体机位如图4中摄像机A5和摄像机B4，双视角记录测试件在流场中稳定张满形态的影像，判读伞衣单侧各边缘上的所有的关键点，进行数据处理获取各点坐标，并拟合为一条连续曲线；

(5)对按步骤(2)建立的几何模型进行离散以获得有限元模型，设置与步骤(4)测试时相同的环境参数，并采用任意拉格朗日－欧拉法(ALE，一种流固耦合计算方法)进行仿真计算；

(6)将按步骤(5)仿真获取的伞衣离散坐标点云导出，与按步骤(4)获取的各边缘曲线进行对比，综合误差不超过5％；

(7)以按步骤(4)获取的各边缘曲线为母线，对步骤(6)中导出的点云模型边缘曲线进行修正和拟合，并向伞衣内部扫掠建模，获取完整的伞衣张满外形；

(8)对步骤(7)中获取的伞衣张满外形曲面进行流体力学仿真计算，获取该状态下单层滑翔伞的稳态气动特性，包括产生的升力、阻力、周围流场的压力分布等；

(9)调整研究对象的结构，重复步骤(1)～(8)，分析不同结构下单层滑翔伞稳态张满外形和稳态气动特性的变化规律，参考通过步骤(5)计算获取的伞结构上的应力分布进行强度分析，根据设计目标对单层滑翔伞进行结构优化。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包括这些改动和变形在内。