Вертолёт, 2008 №01

В статье представлен подход к построению математической модели для численного моделирования динамики движения вертолета, оснащенного эластичными баллонетами, при приводнении. Целью моделирования являются определение максимальных значений перегрузок, возникающих в центре масс (ЦМ) вертолета при приводнении, и оценка эффективности эластичных баллонетов с точки зрения демпфирования ударных нагрузок и обеспечения плавучести вертолета. Для этого проведено сравнение динамики приводнения вертолета, оснащенного жесткими баллонетами, и вертолета с баллонетами, выполненными из прорезиненного материала.

Рис. 1. Формулировка полной задачи

Предлагаемый подход к моделированию разработан специалистами российской компании «ТеСИС» и ориентирован на решение задач, требующих совместного моделирования нестационарных аэрогидродинамических процессов и динамики упругой системы. Он строится на двухстороннем прямом сопряжении программного комплекса FlowVision, предназначенного для моделирования течения жидкости и определения нагрузок на элементы конструкции вертолета (включая эластичные баллонеты), и ABAQUS (а также ANSYS, NASTRAN и DEFORM), служащего для моделирования напряженно-деформированного состояния элементов конструкции и динамики движения упругой конструкции вертолета в целом. Прямое сопряжение этих программных комплексов основано на методе генерации конечно-объемной сетки с подсеточным разрешением, используемым в FlowVision.

Обоснование конструктивных решений, обеспечивающих безопасное аварийное приводнение вертолета с использованием баллонетов, традиционно достигается большим объемом теоретических расчетов и экспериментальных исследований на различных физических моделях в аэродинамических трубах, гидроканалах и на открытой воде. Исследования на физических моделях — достаточно длительный и дорогостоящий процесс, имеющий ряд существенных ограничений, связанных с подобием модели и натурного объекта. Это относится и к физическому моделированию надутых сжатым газом эластичных баллонетов.

Бурный прогресс вычислительной техники и численных методов расчета сделал доступным для использования в проектировании программных комплексов численного моделирования, позволяющих проводить его в натурных размерах и различных условиях. Так, взаимодействие вертолета с твердой поверхностью при аварийном приземлении можно успешно прогнозировать и просчитать с использованием конечно-элементных программных комплексов. Для программного комплекса ABAQUS, например, это достаточно стандартная задача. В ABAQUS (аналогично моделированию краш-теста автомобилей) можно провести моделирование жесткого удара вертолета о поверхность с частичным или полным разрушением его конструкции. Однако для рассмотрения последствий взаимодействия вертолета с водой при аварийном приводнении требуется одновременное моделирование движения воды, деформаций баллонетов, удара конструкций подвеса баллонетов и самого корпуса вертолета о поверхность воды (рис. 1).

В нашем случае корпус вертолета, система подвеса и эластичные баллонеты моделируются упругими телами в системе ABAQUS и представлены в виде единой конечно-элементной (КЭ) сетки. Эта сетка импортируется в расчетную область течения жидкости программного комплекса FlowVision как подвижная граница, на которой определяются гидродинамические нагрузки.

Рис. 2. Конечно-объемная модель вертолета (одна половина)

Для сопряжения решений, генерируемых обоими программными комплексами, используется явный метод расщепления, в рамках которого весь процесс расчета разбивается на небольшие по времени шаги. Программный комплекс ABAQUS позволяет в течение каждого такого шага моделировать кинематику и деформацию конструкции (включая эластичные баллонеты) под воздействием нагрузки, получаемой из программного комплекса FlowVision. Перемещения узлов КЭ-сетки из ABAQUS в FlowVision приводят к изменению области течения жидкости и появлению новых гидродинамических характеристик этого течения, включая распределение давления. Цикл расчетов и обменов информацией между ABAQUS и FlowVision повторяется в течение всего процесса моделирования.