摘 要

目前，随着全国城市化的进展，高楼建筑的救援问题日益突出。当全国各类大小城市的高层或超高层建筑越来越多，解决了人多地少的问题同时也给居住高楼或在高楼办公的人们留下了危险和隐患。对于那些居住在高楼建筑中的人们而言，在发生火灾、地震等突发灾难时，逃生通道往往无法正常使用来帮助逃生者逃生，逃生者只能被迫等待救援工作人员通过消防救援云梯实施救援。云梯具有一定高度限制，在云梯的限制高度之外，消防救援人员将无法实施救援，造成大量的人力财力损失及人身安全问题。因此，研究一种“高楼逃生伞”显得尤其重要。

本文首先介绍了国内外关于高空降落伞的相关研究，然后针对查阅到的低空应急伞相关专利进行了简介，从中提取出具有特点的结构作为参考。对于应急降落伞的某些结构，参考了其他非救援装置具备的机构，并且考虑采用新的材料、新的技术来代替部分机械结构以满足创新和实用的要求。最后，在查到的专利的基础上，对部分结构进行改进或者使用新材料技术更替，从而设计出一种新型的低空应急降落伞。

关键词：降落伞，应急救生，低空应急降落伞，新型材料，创新

Abstract

At present, with the progress of urbanization, the problem of high-rise building rescue has become increasingly prominent. When there are more and more high-rise buildings or super high-rise buildings in various cities and towns across the country, it solves the problem of less people and more people, and it also leaves dangers and hidden dangers for people living in high-rise buildings or working in high-rise buildings. For those living in high-rise buildings, when there is a sudden disaster such as a fire or an earthquake, the escape route cannot escape or there is no time to escape from the escape route, the escaper can only wait for the fire rescue personnel to rescue through the ladder. At the height that the ladder can't reach, the rescue can't be carried out, causing a lot of human and financial losses and personal safety problems. Therefore, it is very important to make a "high-rise escape umbrella".
First, it introduces the related research on high-altitude umbrellas, and then introduces the invention patents of low-altitude emergency umbrellas at home and abroad, and extracts some characteristic institutions from which it is used as a reference. For some parts of the emergency parachute, it is made to the mechanism,which used in other sports (climbing) devices, and some mechanical mechanisms are considered to replace the use of new materials and new technologies to achieve innovative and practical requirements. Finally, based on the patents reviewed, structural improvements or new material technology replacements were made to design a new type of low-altitude emergency parachute.

Keywords: Parachute, Emergency Survival, Low-altitude Emergency Parachute, New Materials, Innovation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

研究背景 1

第2章 降落伞研究综述 2

2.1高空降落伞的理论建模 2

2.2高空降落伞的仿真分析 3

2.3低空应急伞结构及仿真分析 4

2.4本章小结 6

第3章 应急伞的数学模型 7

3.1问题的提出 7

3.2问题的分析 7

3.3模型建立与计算 7

3.3.1模型假设 7

3.3.2符号说明 8

3.3.3模型求解 8

3.4绳的拉力因素 11

3.5本章小结 11

第4章 应急降落伞的建模 12

4.1方案一：机械结构 12

4.1.1“伞骨”开伞结构 12

4.1.2.安全带装置 13

4.1.3加固带保护装置 15

4.1.4调向装置 16

4.1.5其他装置 16

4.1.6方案说明 17

4.2方案二：充气结构 17

4.2.1充气原理 17

4.2.2充气式应急伞模型 18

4.2.3 伞支架的ANSYS仿真分析 19

4.2.4方案优缺点说明 29

4.3本章小结 29

第5章 其他低空逃生装置 30

5.1高层逃生装置概括 30

5.2离心摩擦调速器 31

5.3离心组件设计及建模 32

5.4齿轮的选择及建模 33

5.5整体结构构图 35

5.6装置的不足 36

5.7本章小结 36

第6章 总结与展望 38

致谢 40

参考文献 41

第1章 绪 论

研究背景

降落伞是一种制造简单、成本低廉,且减速稳定效果非常良好的一种气动力减速装置，其广泛用于国防建设、经济建设和科学研究之中。例如：救生伞保证飞行员的逃生安全,阻力伞保证飞船的回收安全，高层逃生等。

目前，随着城市化的进程，全国各类大小城市的高层或超高层楼房建筑越来越多，人们大多住在楼房、高层楼房或超高层楼房内。城市楼房在解决了人多地少，节省土地问题的同时，也给居住高楼或在高楼办公的人们留下了危险和隐患。对于那些居住在高楼建筑中的人们来说，在发生火灾、地震等突发灾难情况下，逃生通道往往无法正常使用来进行逃生，逃生者只能被迫等待消防救援人员通过云梯实施救援。而云梯具有一定的高度限制，在云梯限制高度之外，救援就无法实施。

近几年全国各地出现的高层建筑严重火灾情况及其所造成的财富损失和人员伤亡问题，更是引起了全社会的广泛关注。2010年11月15日，上海静安区胶州路的一栋高层民宅发生严重火灾事故，大火持续燃烧了3个多小时最终导致53人遇难，70多人受伤接受治疗的结果。2019年3月14日，河南省开封市的一所小区内，其中一栋高层居民住宅楼因为电动车充电着火，因为楼梯间具有 “虹吸效应”，因此火灾瞬间蔓延至楼顶，造成了大量财产的损失。上述这些事件中，如果在相应楼层内设置了紧急逃生装置，或许就没有那么多的损失和伤亡。因此，研究一种“高楼逃生伞”显得尤其重要。

第2章 降落伞研究综述

2.1高空降落伞的理论建模

降落伞的研究已经有一段历史了，张红英[1] 等人对降落伞的3种充气理论进行了详细的说明并认为未来的降落伞开伞动载理论发展趋向更少的实验数据依靠和更多的计算机仿真技术仿真。

2005年兴起ALE方法对三维降落伞开伞过程进行模拟仿真，国内，秦子增、曹义华、余莉等许多研究者做了许多研究工作，程涵，余莉[2] 等人采用ALE方法对折叠降落伞的展开充气阶段进行了流固耦合计算，模拟了无限质量情况下不同风速情况、不同引导伞作用情况下的开伞结果，计算结果充分地说明了引导伞经验设计的有效性，但同时由于经验设计的粗糙，出现了个别情况下的不良充气现象。

针对降落伞开伞过程，郁洪轩[3]应用流固耦合的技术，展开一系列工作，最终所得出的结论有：1.在伞衣的充气过程中，伞衣内外会产生一对大小相等、方向相反的涡旋。其中伞衣内涡将逐渐减小并向伞顶方向运动，而伞衣外涡逐渐长大并向尾流方向进行运动；2.伞衣在充气过程中伞顶部分将先进行充气，再进行向伞底方向的膨胀，从而使得伞顶出现一张一缩的“呼吸”现象；3.在保证下降速度的前提下，可以采用适当增加伞的结构透气量措施，来提高伞的稳定性。

史献林，余莉[4] 等人针对降落伞的主伞拉直阶段，在建模中优化模型，将降落伞认为是由质点系构成的刚体，根据动量矩定理，推出六自由度的降落伞的点系动力学方程，从而建立六自由度的变质量动力学方程。文中使用Matlab软件，验证了动力学模型的正确性并进行了仿真，在空投实验的条件下测试了其正确性和仿真结果有效性。

国内李晓勇，曹义华[5] 等对稳定下降过程的流场数值进行了模拟：文中采用了有限体积的方法，运用该方法求解处不可压流的N-S方程，从而建立了Spalart-Allmaras(SA)模型，将建立的模型作为湍流模型,用来模拟仿真降落伞在稳定下降过程中的流场的特性，最终流场的仿真结果与试验数据保持了一致性，表明了此方法的有效和可行性。

针对降落伞研究阶段中无法避免的流固耦合问题，SHERIDAN John[6] 提出一种基于半隐式压力连接方程（SIMPLE）算法的降落伞流固耦合（FSI）问题的数值模拟方法，并通过这种新方法对扁平圆形降落伞和锥形降落伞进行建模和模拟，Tezduyar, Tayfun E[7] 等人基于稳定的时空FSI（SSTFSI）技术和界面投影技术对环形降落伞进行FSI建模，得到一种新的流固耦合模型。在文献[8] 一文中，Tezduyar, Tayfun E.等人结合 SSTFSI（由先进流动模拟和建模团队（T* AFSM）开发的稳定时空流体结构相互作用）技术和空气 - 织物相互作用原理，开发了一种界面投影技术用来更好的进行流固耦合建模以及研究，作为展示界面投影技术如何工作的测试案例，文章对帆和环形降落伞进行了试验说明。文献[9, 10] 分别讲述了以解决在流体结构相互作用（FSI）计算中提出的结构接触挑战而开发的一种表面边缘节点接触跟踪（SENCT）技术以及一种用于降落伞系统空气动力学中遇到的FSI并行三维计算的有限元方法。

文献[11] 采用拉氏有限元网络描述织物和空气建立数学模型，采用基于接触算法的流固耦合算法，以经典平面圆伞C9伞为研究对象进行了其展开过程的仿真，获得瞬态流场变化以及应力、应变及形状变化情况，并用空投试验验证了计算结果的准确性和可靠性。

王侃，曹义华[12] 等人则用SIMPLE算法模拟圆形伞，救生伞稳定下降时的流场, 用生成阶梯网格方法的对稳定下降阶段的圆形伞，救生伞进行数值模拟。

2.2高空降落伞的仿真分析

贾贺，荣伟[13] 等人在文中简单介绍了降落伞的充气过程和LS-DYNA软件的流固耦合算法，设定降落伞的几何模型和材料参数，采用LS-DYNA软件前处理方法对降落伞模型进行了有限元的网格划分，设置了K文件的参数，生成对应的求解文件。采用同样的方法和步骤对仿真流场的模型进行设定得到降落伞的流场模型，设定LS-DYNA流固耦合控制参数后进行仿真得到降落伞充气过程的模拟数值，充气时间及投影面积的变化。

王中阳[14] 在其论文中详细介绍了LS-DYNA软件的发展概况、功能特性及计算流程；LS-DYNA的三种算法：显示积分算法、接触碰撞算法以及流固耦合算法。与贾贺等人一样，文中详细介绍了针对经典伞形-C9伞如何设定其结构参数、材料参数、模型网格的划分及模型K文件的设置。同样，文中也详细介绍了流场模型建立的过程与数值设定。在建立了降落伞的模型和流场的模型之后，还讨论了LS-DYNA软件中的控制参数的设置。随后对“无限质量”充气过程中伞衣的数值模拟、流场数值模拟、应力分布、充气时间及其分析、伞衣投影面积变化及其分析、开伞动载与气动阻力及其分析等一系列情况进行了说明。同样，对“有限质量”充气过程的数值模拟及分析进行了和“无限质量”一样的说明并比较了两种情况充气的比较。

2.3低空应急伞结构及仿真分析

针对低空应急逃生伞，黎少辉在文献[15]一文中，提出了一种如下图2.1所示的新型具备自充气、缓冲、可调向等特点的逃生伞。

1. 伞充气后整体结构示意图

该伞基于众人熟悉的雨伞模型条件下，增加部分充气机构，调向机构等实现下降过程中调向，减速功能。该文章粗略地介绍了装置的使用方法。通过仿真分析软件，使用Pro/E软件建模，ANSYS Fluent软件分析，CFD计算方法，采用标准的k－ε模型方程，设置仿真模型的具体参数，模拟了逃生伞在下降过程中的伞的表面压力分布大小，计算出逃生伞降落时的空气阻力与伞的结构参数之间的关系，从而确定伞面的结构以及尺寸，提升逃生伞的可靠性。

刘洪涛[16] 在专利中表明了如下图2.2所示的一种低空降落伞：

1. 伞工作状态下的结构示意图

该降落伞通过逃生者手拉拉环的方式，使伞面倾斜，从而调节方向，防止伞与楼房刮蹭，达到最大限度逃生的目的。说明：1：伞面 2：同心圆加固带 3：径向加固带 4：加固带3的外端延长部分 5：连接环 6：救生带 7：辅助连接带 8：手动拉环 9：滑动环9-1及其手握套管9-2 10：伞杆10-1，中心绳10-2，绳结10-3 11：伞骨

王志涛[17] 发明如下图2.3所示的一种可快速打开的高楼救生装置：

1. 伞工作状态下整体结构示意图

该装置下方具有一个锥形开口，使用该装置时，空气将通过逃生伞下方形成的锥形开口灌入伞面内部形成较大气压，带动伞骨上转从而撑起伞面实现快速开伞。说明：1：伞柄 2：手柄 3：吊带 4：固定座 5、6、7：支杆 8：伞面 9：定位套 10：滑座 11：伞骨 12：支撑盘

2.4本章小结

本章首先介绍了前人做过的关于高空降落伞的建模、仿真分析的相关研究，对降落伞有个一定的认识，随后简介了3个低空应急伞的相关专利，对所做的目标有个大概了解，对应急伞的基本结构有了清楚的认识，明白了专利中的原理，对后续的工作方向有一定的帮助。

第3章 应急伞的数学模型

3.1问题的提出

应急降落伞的设计首先需要确定伞面面积，面积过小不足以提供足够的空气阻力使得逃生人员着陆速度过快造成伤亡。面积过大会使得逃生人员空中滞留时间过长，存在其他逃生隐患。因此确定一个合适的面积不仅可以节省材料，还可以使得逃生更加安全有效。

3.2问题的分析

分析应急伞的降落过程，将人和伞看成一个整体系统，可以联想到降落速度与时间之间的关系，这种关系可以用函数表示出来。在下降过程中，人-伞系统主要受到重力、空气阻力、气流运动的影响，而空气阻力与下落速度存在一定关系，查阅文献[18]可知：在空气中运动的物体，其受到的空气阻力，在空气中如果速度低于2.5M（马赫）（850m/s），基本上认为它的阻力f与阻力系数k，迎风面积s，速度v成正比（），这时k一般取2.1（查阅文献[18]可知）。当物体在空气中运动速度高于2.5M（马赫）时，由于空气的摩擦，开始出现加热现象。此时空气阻力可视为。在这里由于下降速度远小于2.5M，我们认为空气阻力与下降速度成正比。气流运动会使应急伞出现水平的位移，但在这里我们主要关心降落速度在垂直方向上的变化情况，所以忽略速度的水平分量。因此，该模型只要保证两个要求：1.着陆速度小于安全着陆速度。2.弹性绳的最大拉力不超过它的最大限定值，并且下降到地面所用时间合理。满足这两个条件即认为该系统可以安全着陆。

3.3模型建立与计算

3.3.1模型假设

1. 人-伞系统在下降过程中只受到了重力和空气阻力的作用，忽略气流流动造成的影响，只考虑竖直方向上的运动。
2. 应急伞打开和下降过程中，空气阻力与下降速度v成正比，与迎风面积s成正比，即公式成立，且k是一定值常数，与时间、空气稀薄程度无关。
3. 降落伞张开后面积不变
4. 不计张伞所用时间
5. 应急伞的质量忽略不计（人伞重量总计为人的重力）
6. 应急伞在下降过程中始终着保持轴对称，人的重力和伞的形心始终保持在同一竖直直线上。
7. 重力加速度为一定值常数，不随高度变化，取9.8 。
8. 人-伞系统在下降过程中，降落速度是连续变化的，并且应急伞绳不发生任何突变。
9. 人-伞系统安全着陆的着陆速度小于6m/s。（经查阅文献[18]获得）

3.3.2符号说明

m:逃生者的质量

g:重力加速度

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