内置氦气囊处于高空重载硬式飞艇主气囊内,外部主气囊为空气囊,内部充氦气用于产生静升力来平衡艇体重量和有效载荷。作为提供飞艇浮力的核心载体,氦气囊在不同充气比例状态下形态的改变会引起浮心和重心的改变,进而影响飞艇的飞行姿态控制。本文基于控制体积法和双向流固耦合的数值模拟分析方法分别建立了数值仿真模型,对内置氦气囊进行泄气模拟分析,得到囊体在不同充盈度下的形态位移。同时结合氦气囊的充气、泄气试验,得到了囊体在不同充盈度下的形态位移变化规律。首先,通过非线性显式动力学分析软件LS-DYNA,基于控制体积法建立了氦气囊的泄气模型,结合ANSYS/LS-DYNA求解器计算得到了氦气囊在泄气过程中的形态位移。结果表明:基于控制体积法建立的氦气囊模型在泄气过程中不能考虑由囊体内外空气、氦气的密度差引起的浮力载荷作用,无法反映浮力对泄气过程的影响。然后,基于ANSYS的瞬态动力学分析和CFX的多物理场耦合分析,考虑空气与氦气密度差导致的浮力效应,建立了单个氦气囊的泄气仿真模型,进行空气和氦气流体及柔性囊体的多场耦合分析。首先,基于囊体无应力状态进行充气模拟得到初始充气平衡形态,校验数值模拟方法的正确性;然后通过氦气排气量控制模拟氦气囊在0、10、20、30度仰角以及充盈度分别为100%、90%、80%、70%、60%时的形态,从而模拟氦气囊的泄气过程。最后,通过分析不同仰角姿态、不同充盈度下的氦气囊泄气模拟,结果表明:在仰角为0度时,随充盈度减小,囊体底部约1/3区域发生形态失稳,呈环向均匀小凹陷模态,且向顶部扩展,环向贯通为大凹陷;当有仰角时,凹陷先发生于下腹部,环向非对称,且随仰角增大,下腹部凹陷向顶部扩大;通过分析氦气囊在充、泄气过程中的形态位移,结果表明:囊体充气过程中,上部区域首先展开膨胀,下部区域变形较小。随着充气量增加,囊体沿高度方向从上至下依次展开继而膨胀;泄气过程中,囊体下部区域首先收缩凹陷,上部区域变形较小。随着泄气量增加,囊体沿高度方向从下至上依次收缩凹陷,凹陷之间产生挤压继而发生褶皱。