基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

2024年2月7日发(作者：宝马6系gt多少钱一辆)

第44卷第2期2023年4月

航天返回与遥感

SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING

基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

朱九英1 黄锦辉2 米红林1 王泽贵1 王晓栋1

（1 上海电子信息职业技术学院，上海 201411）

（2 采埃孚（中国）投资有限公司，上海 200031）

摘要为保证系留气球平台在空投着陆中的安全，必须对其中的压力气瓶进行缓冲分析与实验。文章采用蜂窝纸板作为气瓶缓冲材料，采用LS-DYNA软件，并依据蜂窝纸板实际参数处理材料模型，仿真分析了在不同蜂窝纸板厚度、不同跌落速度和不同着陆姿态下的缓冲过程。根据仿真结果，设计了蜂窝纸板缓冲结构和加速度检测模块，采用吊车起吊跌落进行了实验验证。仿真分析和实验结果均表明，蜂窝纸板厚度为500mm，跌落速度低于10m/s时，气瓶缓冲后加速度低于20gn，可满足空投着陆应用要求。文章基于LS-DYNA的蜂窝纸板缓冲有限元分析是可行的，研究结果对于气瓶类装备的着陆缓冲结构设计有参考价值。

关键词蜂窝纸板系留平台隔振缓冲有限元仿真跌落冲击回收着陆

中图分类号: V445.4 文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)02-0033-10

DOI: 10.3969/.1009-8518.2023.02.004

Cushioning Analysis and Test of Tethered Platform Based on

Honeycomb Cardboard

ZHU Jiuying1 HUANG Jinhui2 MI Honglin1 WANG Zegui1

WANG Xiaodong1

（1 Shanghai Technical Institute of Electronics & Information, Shanghai 201411, China）

（2 ZF (China) Investment Co., Ltd., Shanghai 200031, China）

Abstract In order to ensure the safety of the air-drop landing of the tethered balloon platform, the

cushioning analysis and test must be conducted on the high-pressure cylinders in it. In this paper, honeycomb

cardboard is used as the cushioning material of the gas cylinder, and the cushioning processes under different

thicknesses of honeycomb cardboard, different fall speeds, and different landing attitudes are simulated and

analyzed by LS-DYNA software using the material model parameters according to the actual honeycomb

paperboard. Based on the simulation results, the cushioning structure of honeycomb cardboard and the

acceleration detection modules are designed, and the test verification is carried out through a crane. Both

simulation analysis and test results show that when the thickness of honeycomb cardboard is 500mm and the

fall speed is lower than 10m/s, the acceleration of the gas cylinder after cushioning is lower than 20gn, which

can meet the requirements of air-drop landing applications. The study shows that the finite element analysis of

honeycomb cardboard cushioning based on LS-DYNA is feasible, and the research results have reference

values for the design of the landing cushioning structure of gas cylinder-type equipment.

收稿日期：2022-07-14

基金项目：上海电子信息职业技术学院专项项目（Z22105）

引用格式：朱九英, 黄锦辉, 米红林, 等. 基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(2): 33-42.

ZHU Jiuying, HUANG Jinhui, MI Honglin, et al. Cushioning Analysis and Test of Tethered Platform Based on

Honeycomb Cardboard[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(2): 33-42. (in Chinese)

34 航天返回与遥感 2023年第44卷

Keywords

honeycomb paperboard; tethered balloon platform; vibration isolating and cushioning; finite

elements simulation; airdrop impact; recovery and landing

0 引言

系留气球被广泛应用于通信、观测、探测等领域。在突发地质灾害、地面交通中断的情况下，采用空投方式进行部署系留气球系统将有利于灾难救援服务实施[1]。系留气球平台包括高压气瓶、充气管路与控制器、气囊、任务负载与缓冲装置等，它们包装好后由飞机或其他航空器运输，然后通过伞降空投减缓着陆速度。平台在着陆时，如果缺乏有效的着陆缓冲措施，内部的高压气瓶等将承受到巨大的冲击。研究表明，钢瓶从2m处跌落时，其应力将对瓶体造成破坏[2]。而在内部高压作用下，该冲击可能会引起爆炸，造成更严重的后果。因此对系留平台的缓冲结构进行设计分析与试验是非常必要的。

已有的研究中着陆缓冲结构众多[3-5]，根据系留平台的工作条件和一般要求，其着陆缓冲结构示意图如图1所示。该结构中主要包括高系留气球囊体及充气管路、高压氦气瓶、缓冲材料等。系留气球囊体为轻质软性材料，在着陆冲击过程中忽略其影响。高压氦气瓶为平台中质量最大的部分，也是主要的缓冲保护对象。由于蜂窝纸板具有良好的缓冲性能，且与铝蜂窝相比，蜂窝纸板价格更为低廉，因此在本文中被用作缓冲材料。

图1 系留平台缓冲结构示意

Fig.1 Diagram of tethered platform cushioning structure

蜂窝纸板的蜂窝结构是根据六角形蜂巢的原理研究制造出来的，它具备优良的平压强度、侧压强度和优越的抗弯性[6-7]。在受载初期，蜂窝纸板会产生弹性变形；随着载荷的增加，蜂窝缓冲结构被压塌，期间吸收大量能量。蜂窝纸板的塌陷过程将延长撞击时间，同时避免发生反弹，故冲击加速度的峰值将被大大降低，任务设备将得到保护。由于密度低、强度高、绿色环保、价格低廉、吸能能力强和缓冲性能良好，蜂窝纸板已被广泛应用在包装、航空、军事、交通等领域[8-9]。近年来针对蜂窝纸板的研究和应用越来越深入，如文献[10]从温湿度对蜂窝纸板静力学性能影响进行了研究；文献[11]研究了相对湿度对蜂窝纸板振动传递率及其减振特性的影响，对于蜂窝纸板的实际应用具有指导意义。

围绕系留平台安全着陆保护问题，本文采用有限元分析软件LS-DYNA和MAT_126材料模型，分析不同材料厚度、不同跌落速度和不同跌落姿态下的缓冲性能，根据仿真结论设计缓冲装置并进行实验，通过对实验数据的分析，验证蜂窝纸板的缓冲性能满足系留平台安全着陆缓冲要求，为系留平台空投这一新型应用奠定基础。

1 基于蜂窝纸板的缓冲仿真分析

第2期朱九英等: 基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

冲材料厚度、不同跌落速度和不同跌落姿态下的跌落过程进行仿真分析，为缓冲装置的设计提供依据。参考返回舱和电子设备所允许的冲击加速度在20~30gn[12-13]，故文中设定跌落缓冲后冲击加速度小于20gn，保证平台应用的安全性。

1.1 跌落仿真前处理

1.1.1 有限元仿真建模与单元类型

系留气球平台缓冲装置结构较为复杂，为了提高运算速率，本文对几何模型进行了简化。由于本文主要研究高压氦气瓶在不同条件下的冲击加速度情况，而不是讨论内部各组件的应力应变问题，因此将气瓶简化为质量块。同时，根据蜂窝缓冲结构叠置理论，多层蜂窝纸板层叠后，蜂窝缓冲结构的弹性模量保持不变，而厚度则为原来的两倍，蜂窝缓冲结构吸收的冲击能量增加，缓冲性能提高。这样可将多层叠置后的结构简化为整体的单一结构[14-15]。

将缓冲结构的三维模型文件转换为IGES格式导入LS-DYNA中，并划分网格如图2所示。由于顶部气囊为轻质软性材料，在仿真分析时略去其影响。

图2 有限元网格划分

Fig.2 Finite element meshing

在LS-DYNA中，要想较为准确地模拟蜂窝结构的材料特性，须采用SOLID单元。本文采用8节点的SOLID164单元，它采用2×2×2多点高斯积分算法，优点是没有零能模式，且可得到较快的单元算法，适用于蜂窝材料大变形的情况。

1.1.2 材料模型

在选择材料模型时，气瓶选择为各向同性的线弹性模型。气瓶为40-150型钢瓶，质量为52kg，高1.2m，直径0.22m，瓶身主材为37Mn钢。根据气瓶体积和质量，设置材料模型中的密度为1 140kg/m3，其他参数根据瓶体材料进行选择。

蜂窝缓冲材料的模型是仿真分析前提，近年吸引了较多的相关研究[16-18]，然而这些成果到应用于仿真软件中尚有一定的距离。对于正交异性可压扁蜂窝结构（Honeycomb），LS-DYNA程序中可使用的材料模型有MAT_26和MAT_126，两者区别在于MAT_26模型中剪切力很弱，没有办法在不改变纯单轴压缩行为的情况下增加剪切阻力。而MAT_126模型中，用户可以在不改变单轴行为的情况下，在材料中规定剪切阻力等[19]，因此本文选择MAT_126。

正交各向异性可压扁Honeycomb蜂窝结构材料模型MAT_126所需要的参数包括：模型密度ρ，杨氏模量E，泊松比ν，完全压实的蜂窝的屈服应力σ，完全压实的蜂窝的相对体积Vf，材料粘性系数μ，未压缩时x、y、z方向（其中x、y为蜂窝平面内相互正交的二个轴向；z为面外方向，垂直于xy平面）的弹性模量Eu,x、Eu,y、Eu,z（其中下标x、y、z分别表示方向，u表示未压缩时的参数，以区别于受压缩时的对应参数），未压缩时分别在xy、yz、zx平面内的剪切模量Gu,xy、Gu,yz、Gu,zx（其中下标xy、yz、zx分别表示所在平面），以及x、y、z方向应力与应变曲线号等。

文中根据文献[20]确定蜂窝纸板的参数和应力与相对体积曲线，其参数如表1所示。

36 航天返回与遥感 2023年第44卷

表1 蜂窝纸板材料参数

Tab.1 Material parameters of honeycomb paperboard

参数数值参数数值

密度ρ/(kg·m-3)

杨氏模量E/MPa

泊松比

屈服应力σ /MPa

32.9

2.75

0.3

360

0.65

0.05

Eu,x/MPa

Eu,y/MPa

Eu,z/MPa

Gu,xy/MPa

Gu,yz/MPa

Gu,zx/MPa

2.75

3.58

2.8

1.21

0.1

0.05

在LS-DYNA计算过程中，正交异性可压扁Honeycomb蜂窝结构材料模型为各项正交异性，应力张量的分量不发生耦合，受压时各向弹性模量Ex、Ey、Ez各向剪切模量Gxy、Gyz、Gzx与相对体积的关系如式（1）所示呈线性变化

Ex=Eu,x+β(E?Eu,x)?Ey=Eu,y+β(E?Eu,y)??Ez=Eu,z+β(E?Eu,z)???

Gxy=Gu,xy+β(G?Gu,xy)?Gyz=Gu,yz+β(G?Gu,yz)??Gzx=Gu,zx+β(G?Gu,zx)?? （1）

??1?V??式中

β=max?min?,1?,0?；V是相对体积，为当前体积与初始体积之比，初始情况下V=1；G?1V????f??E是蜂窝纸板的弹性剪切模量，有G=。

2(1+v)1.2 跌落仿真

系留平台在跌落过程中，缓冲材料的厚度、跌落速度以及跌落姿态都将影响气瓶所受的冲击加速度，为此对其进行仿真分析。

1.2.1 不同缓冲材料厚度下的跌落仿真

本文分别对缓冲材料厚度为300mm、500mm和700mm时进行跌落仿真，跌落速度为10m/s，仿真结果如图3所示。其中缓冲材料厚度为蜂窝纸版底部至气瓶底部的高度。由图3可知，缓冲材料厚度为300mm时气瓶底部蜂窝纸板全部压溃，但由于缓冲材料厚度较小，纸板压缩变形量最小；缓冲材料厚度为500mm时蜂窝纸板压缩变形量加大，隔振缓冲效果明显；缓冲材料厚度为700mm时蜂窝纸板压缩变形量最大。

（a）厚300mm

（a）Thickness of 300mm

（b）厚500mm

（b）Thickness of 500mm

（c）厚700mm

（c）Thickness of 700mm

图3 跌落速度为10m/s、蜂窝纸板厚度不同时跌落缓冲仿真

Fig.3 Simulation of cushioning with falling speed of 10m/s and different thickness of honeycomb paperboard

第2期朱九英等: 基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

三种厚度缓冲材料跌落仿真加速度随时间变化曲线分别如图4所示。由图4可知，缓冲材料厚度为300mm时，气瓶的跌落冲击加速度峰值最大，为22.1gn，且峰值出现时刻最早。缓冲材料厚度为500mm时，气瓶的跌落冲击加速度峰值为15.5gn，且峰值出现时刻延后，气瓶在纸板槽内出现振动，在约1.2s后趋于静止，表明气瓶出现了一定的弹性振动；缓冲材料厚度为700mm时，气瓶的跌落冲击加速度峰值最小，为15.1gn，且峰值出现时刻比厚度为500mm时略早，气瓶在纸板槽内振动也更明显，振动频率较缓冲材料厚度500mm时较高，在约1s后趋于静止。

图4表明，缓冲材料越厚，跌落时气瓶所受加速度越小，但是在缓冲材料增加到一定厚度时，加速度不会出现明显减小。缓冲材料变形量从小到大依次经历线弹性变形、塑性屈曲变形和密实化变形三个阶段，在线弹性变形和塑性屈曲阶段之间存在一个应力峰值[21]。材料厚300mm时，材料快速进入密实化变形阶段，材料厚度在500mm和700mm时，材料未进入密实化变形阶段。在材料厚700mm时，缓冲材料有更大的比例处于线弹性阶段，受第一个应力峰值的影响，其弹性模量Ez动态均值大于材料厚500mm时的值。这也可以从式（1）中得出，当蜂窝纸板不进入密实化变形阶段，随着纸板厚度增大，β值从1至0之间逐渐减少，弹性模量将相应变大。这样可以较好地解释材料厚度从500mm增加到700mm时，其加速度变化与一般经验认知不符的现象。

（a）厚300mm

（a）Thickness of 300mm

（b）厚500mm

（b）Thickness of 500mm

（c）厚700mm

（c）Thickness of 700mm

图4 跌落速度为10m/s、蜂窝纸板厚度不同时仿真中气瓶加速度曲线

Fig.4 Acceleration curve of cylinder in simulation with falling speed of 10m/s and different thickness of honeycomb paperboard

1.2.2 不同跌落速度下的仿真

当系留平台跌落速度分别为5m/s和20m/s，缓冲蜂窝纸板相同均厚500mm时，仿真结果分别如图5所示。对比图3可知，跌落速度为5m/s时气瓶底部蜂窝纸板压缩变形量最小；跌落速度为10m/s气瓶底部蜂窝纸板压缩变形量较大；跌落速度为20m/s时气瓶底部蜂窝纸板压缩变形量最大，纸板被压溃。

（a）速度为5m/s

（a）Speed is 5m/s

（b）速度为20m/s

（b）Speed is 20m/s

图5 速度不同、蜂窝纸板厚500mm时跌落缓冲仿真

Fig.5 Drop simulation when speed is different and honeycomb paperboard is 500mm thick

38 航天返回与遥感 2023年第44卷

动，在0.9s后趋于静止；跌落速度为20m/s时，气瓶的跌落冲击加速度峰值最大，为32.3gn，且峰值出现时刻最早。

（a）速度为5m/s

（a）Speed is 5m/s

（b）速度为20m/s

（b）Speed is 20m/s

图6 速度不同、蜂窝纸板厚500mm时跌落仿真中气瓶加速度曲线

Fig.6 Acceleration curve of the cylinder in drop simulation with different speed and 500mm

thickness of honeycomb paperboard

1.2.3 不同跌落姿态下的跌落仿真

系留平台跌落时，平台底面与地面接触角度控制在15°以内。前面的仿真均假设平台底面水平落地接触地面。当考虑在15°角以底面棱边跌落时，如图7所示，有底面短边先触地和长边先触地两种情况，分析中长边为1.6m，短边为0.8m。

图7 系留平台跌落姿态

Fig.7 Different attitudes of tethered platform drops

图8是平台底面两种姿态的跌落仿真。由图8可知，平台底面先接触地面一边的蜂窝纸板率先受到冲击，压溃变形量较对边更大，气瓶在纸槽内向接触棱边方向有一定的滑移。

（a）底面短边与地面先接触

（a）The bottom short edge the contacts the ground first

图8 不同姿态跌落仿真

（b）底面长边与地面先接触

（b）The bottom long edge the contacts the ground first

Fig.8 Drop simulation in different postures

第2期朱九英等: 基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

的振动，且长边与地面接触时振动加速度幅度更小，两种跌落姿态中气瓶均没有弹出纸板槽。应当指出，在这两种跌落中，由于质心垂线均未经过触地棱边，部分能量被触地棱边一侧的缓冲材料吸收，部分跌落动能转化为整体的旋转动能，过程较为复杂。

（b）底面长边与地面先接触

（b）The bottom long edge contacts the ground first

（a）底面短边与地面先接触

（a）The bottom short edge contacts the ground first

图9 不同姿态跌落仿真中气瓶加速度曲线

Fig.9 Acceleration curves of cylinders in different attitude drop simulation

1.3 仿真小结

根据以上仿真分析结果，我们可以得出以下结论：

1）在跌落速度相同时，气瓶所受到的跌落冲击加速度与缓冲材料的厚度呈反相关，即缓冲材料越厚，跌落时气瓶所受加速度越小，但是在缓冲材料增加到一定厚度时，加速度不会出现明显减小；在10m/s跌落速度下，缓冲材料厚度大于500mm时能够满足气瓶冲击加速度小于20gn的要求。

2）在缓冲材料厚度相同时，气瓶所受到的跌落冲击加速度与跌落初速度呈正相关，即跌落初速度越大气瓶所受的冲击就越大，跌落初速度小于10m/s时气瓶冲击加速度小于20gn。

3）在跌落速度和缓冲材料厚度都相同时，气瓶在棱跌落时所受到的冲击加速度要大于水平跌落时的冲击加速度，且气瓶在纸板槽内会出现一定的滑移，冲击加速度较水平跌落时有所增大，但仍然在20gn以内。

2 实验

为验证平台缓冲装置的缓冲性能，进行平台跌落实验。为模拟空投着陆过程，采用吊车将平台吊起，然后利用脱钩器释放吊钩，使平台自由跌落。降落速度设为10m/s，忽略空气阻力，故将平台吊至5.1m的高度自由落下，即可验证缓冲装置在10m/s的初速度冲击下缓冲效果。

2.1 实验条件与实验准备

在实验开始之前，首先进行实验各部件的组装。根据仿真结果，气瓶底部采用多层蜂窝纸板叠置至500mm厚，然后将气瓶、充气系统内和控制部件放置于蜂窝纸板槽内。为了固定纸板不发生错位移动并方便吊挂实验，缓冲结构被置于组合式简易框架内。为采集冲击加速度数据，基于ADIS16223数字式加速度传感器设计了加速度检测模块。传感器ADIS16223测量范围±70gn，可输出3个正交轴的加速度。加速度检测模块包括微传感器、处理器、存储卡及计算机通信接口。传感器数据图10 加速度检测模块安装位置

Fig.10 Installation position of acceleration detection

module

40 航天返回与遥感 2023年第44卷

采样频率为100Hz。实验时，模块可以将加速度传感器的数据记录至存储卡中；实验后，通过读取存储卡将加速度数据读出。实验时采用2个加速度检测模块，分别与气瓶上下两处刚性固定，如图10所示。

气瓶置于蜂窝纸板槽内，上面使用压紧绳固定以防止气瓶等在跌落冲击时回弹。平台下方悬挂一根长5.1m的细绳，用以判定平台是否达到实验高度。实验地面为不平整的荒地。

2.2 实验过程

升空平台准备就绪，启动传感器，将平台吊起5.1m后释放。平台跌落后，纸板出现较大变形，部分纸板严重压溃。平台跌落后立即进行数据的读取与存储。图11为平台跌落前后状态。

（a）跌落前（b）跌落后

（a）Before the fall （b）After the fall

图11 系留平台跌落前后情况与实验场景

Fig.11 Before and after the fall of the tethered platform and the experimental scenario

2.3 实验结果分析

将实验中瓶身上、下端固定的加速度检测模块分别标记为S1、S2，其数据被读出并导入MATLAB中处理。由于我们关心总体的冲击加速度，在处理时，三轴分量被合成为一个总量输出。将实验数据定位至跌落时点，得到图12所示的加速度检测模块S1和S2数据。

（a）S1测量数据（b）S2测量数据

（a）Measurement data by S1 （b）Measurement data by S2

图12 2个加速度检测模块的测量数据

Fig.12 Measurement data from 2 acceleration detection modules

第2期朱九英等: 基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

由图12可知，S1与S2加速度峰值分别为18.4gn和17.7gn，通过蜂窝纸板缓冲装置能够实现气瓶跌落冲击加速度小于20gn的目标。S1与S2加速度曲线形态相似，峰值均出现在触地后0.5s点左右，整个缓冲过程持续约1.2s。S1与S2波峰出现之前加速度接近0gn，即气瓶在自由下落过程中出现失重现象被准确测出；跌落结束静止时受重力加速度影响，加速度值在1gn左右，也在图12中得到体现。实验表明，采用蜂窝纸板可为气瓶提供有效缓冲。

尽管试验表明使用蜂窝纸板可以为气瓶跌落提供有效缓冲，但也应当指出，实验过程中气瓶加速度峰值与仿真时的峰值尚存在约15%的误差，同时加速度变化曲线形态上也存在较明显的差异。可能的原因有两点：一是本文仿真时并未考虑地面凹凸起伏等不平整情况，也没有考虑不同地面与土壤条件下实验时复杂的土壤—纸板—气瓶作用关系；二是蜂窝纸板的材料性能受其湿度影响较大，因而仿真与实验时的材料参数可能存在偏离。这些都值得改进和进一步研究。

2.4 升空实验

选用直径为2.2m的球形气球作为自动充气实验系留气球，为了增大测振触发装置的可靠性，设置冲击加速度达到10gn时触发微控制器运行充气程序。充气条件触发后，通过微控制器控制电磁阀打开，使气瓶向气囊充气。充气完成后，充气管路脱开，将气球释放到约50m的空中，下端系留缆绳固定，如图13所示。本次试验仅验证系留气球充气和升空功能，由于气球较小，故并未携带任务设备升空。

图13 系留气球自动充气与升空

Fig.13 Automatic inflation and lift-off of the tethered balloon

3 结束语

围绕系留平台空投着陆过程中高压气瓶缓冲安全问题，本文采用有限元软件LS-DYNA并根据蜂窝纸板实际参数的材料模型，仿真分析了基于蜂窝纸板的气瓶缓冲过程，研究了在不同蜂窝纸板厚度、不同跌落速度、不同跌落姿态下的气瓶缓冲效果。根据仿真结果，设计了系留平台缓冲结构和加速度检测模块，并利用吊车进行了跌落实验。实验表明在蜂窝纸板厚500mm、跌落速度10m/s时，气瓶所承受的加速度在20gn以内，满足应用安全要求。本文研究对系留平台等空投应用中的缓冲设计具有参考价值。

本文尚存在诸多待进一步研究的方面，如：基于其他缓冲材料与缓冲装置的缓冲性能研究、棱跌落复杂过程分析、复杂的土壤—纸板—气瓶作用关系研究等，这些问题将是我们后续研究的重点方向。

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作者简介

朱九英，女，1978年生，2005年获得上海大学精密仪器与机械专业硕士学位，讲师。主要研究方向为机器人控制与

导航、应急救援装备等。E-mail：******************.cn。

（编辑：庞冰）

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