水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6.3对水下射弹自然超空泡减阻特性进行了数值模拟。研究了空化数对水下射弹空泡闭合部位和阻力系数的影响,重点分析了水下射弹结构参数对自然超空泡减阻特性的影响,得到了空化器直径、模型长细比和不同尾部形状对水下射弹超空泡减阻特性影响的规律。数值模拟结果表明:随着空化器直径的增大,自然超空泡较易形成,但其减阻能力有所降低;随着长细比的增大,自然超空泡较难形成,但形成超空泡后,不同长细比模型的阻力系数基本一致;尾部形状只影响尾部空泡的发展过程,当尾部被空泡包裹后,模型的自然超空泡形态和阻力系数基本一致。     

超空泡射弹尾拍结构动力学响应分析

超空泡射弹在运动过程中存在尾拍现象,导致结构发生振动,影响射弹的弹道稳定性,降低射弹结构的可靠性。该文建立了射弹无约束动力学方程,使用有限元法求解得到了超空泡射弹在尾拍载荷作用下的动力学响应,并对射弹的加固模型进行了分析,给出了环状加强筋个数、直径以及间距对降低射弹振幅效果的影响。研究结果表明:超空泡射弹在尾拍运动过程中转动周期和幅值随加强筋个数的增大而增大;射弹头部的弹性振动幅值随加强筋个数和直径的增大而减小,振动周期亦随加强筋个数的增大而减小;加强筋距离的减小,对于降低射弹中部振幅效果明显,但对射弹头部的振动几乎没有影响。     

加速度对自然超空泡特性影响的数值仿真研究

利用商业CFD软件对小空泡数下的自然超空泡形态和减阻效果进行了数值仿真研究,通过对软件自定义函数的研究,将边界条件中的来流速度改写为时间的函数并嵌入到软件中,得到了非定常情况下加速度对自然超空泡形态和减阻效果的影响规律。当加速度为正值时,在空泡数相同的条件下空泡的厚度和长度都要比定常条件下的值偏小,而加速度为负值时则刚好相反。模型的粘性阻力系数与加速度没有直接的联系,它主要与超空泡的形态和模型壁面上的含汽率有关。最后将加速度为-100m/s2时的仿真结果与实验结果进行了比较,误差最大不超过35%。     

亚音速超空泡射弹尾拍动力学响应分析

超空泡射弹在运动过程中存在尾拍现象,在高速运动条件下,水的可压缩性是影响射弹尾拍运动的主要因素之一。文中考虑了流体与结构相互耦合的影响,建立了射弹尾拍运动的无约束动力学方程,使用有限元法求解得到了超空泡射弹在尾拍载荷作用下的动力学响应,并研究了马赫数对射弹动力学响应的影响。研究结果表明：亚音速条件下,流体的可压缩性使超空泡射弹刚体转动和弹性振动位移的周期和幅值增大;流体的可压缩性对结构弹性位移响应的影响随马赫数的增大而逐渐增大。     

PELE弹丸靶后破片尺寸分布研究EI北大核心CSCD

横向效应增强型弹丸(PELE)靶后毁伤效果与穿靶后形成的破片数量及大小密切相关。依据Mott-Grady破碎理论和PELE弹丸壳体膨胀过程假设,提出了弹丸壳体破片尺寸分布范围的理论分析方法,并通过实验回收弹体破片尺寸的统计分析,验证了理论分析方法的合理性。理论与实验研究表明,PELE弹丸壳体破片尺寸分布与壳体材料密度、破碎耗能、临界破碎应变、应变率等因素相关;破片的环向宽度和数量受内芯材料的影响较大,存在随着内芯材料的密度和弹性模量的增加前端破片环向宽度减小,数量增多,径向飞散速度变大的规律;但从实验结果看,外壳破片轴向长度则受内芯材料的影响较小,主要与弹靶碰撞速度相关。     

PELE弹丸靶后破片尺寸分布研究

横向效应增强型弹丸(PELE)靶后毁伤效果与穿靶后形成的破片数量及大小密切相关。依据Mott-Grady破碎理论和PELE弹丸壳体膨胀过程假设,提出了弹丸壳体破片尺寸分布范围的理论分析方法,并通过实验回收弹体破片尺寸的统计分析,验证了理论分析方法的合理性。理论与实验研究表明,PELE弹丸壳体破片尺寸分布与壳体材料密度、破碎耗能、临界破碎应变、应变率等因素相关;破片的环向宽度和数量受内芯材料的影响较大,存在随着内芯材料的密度和弹性模量的增加前端破片环向宽度减小,数量增多,径向飞散速度变大的规律;但从实验结果看,外壳破片轴向长度则受内芯材料的影响较小,主要与弹靶碰撞速度相关。     

轴对称航行体通气超空泡的特性实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究。采用通气的方法在较低水速下(V=7m/s～15m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了不同空泡长度下的模型阻力系数。研究结果表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较模型上下表面的空泡长度,定量的给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响。当Fr>43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略。     

空化器形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

为研究空化器形状对超空泡射弹尾拍航行时运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建了三维自由尾拍运动仿真模型,在两种长径比下比较了平头弹、凹口弹、锥头弹的尾拍运动特性,并分析了其水动力影响因素。结果表明:较小长径比下,平头弹可以保持运动稳定,凹口弹和锥头弹易失稳,主要是由于空化器产生的空泡尺寸差异导致其临界失稳攻角依次降低。较大长径比下,临界失稳攻角消失,三种头型射弹均能保持尾拍稳定,锥头弹在速度较高时以“单侧尾拍”保持稳定,速度降低后以“双侧尾拍”保持稳定,而平头弹和凹口弹始终以“双侧尾拍”保持稳定;锥头弹由于“单侧尾拍”会产生与初始扰动方向相反的垂直位移,而平头弹和凹口弹由于弹头升力产生与初始扰动方向相同的垂直位移。     

水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究

利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验,并利用已有的经验公式得到了通气空化数,对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。研究表明,通气超空泡的长度和长细比都随通气空化数的增大而减小,航行体阻力系数则随长细比增大而减小。在流速恒定情况下,随通气率的增大,通气空化数逐渐减小,呈指数规律衰减。通气空化数越小,超空泡航行体的减阻效果越好,速度越大,超空泡减阻效果越明显。随通气空化数的减小,超空泡航行体尾部沾湿区域阻力系数也逐渐减小。     

通气超空泡水下射弹实验研究

利用射弹装置开展了通气超空泡水下射弹的实验研究。对水下射弹进行通气,得到了水下射弹的通气超空泡,并对空泡的形态进行了研究;得到了不同空化数条件下形成超空泡的通气率：空化数较大时较低的通气率,能形成超空泡,空化数较小时,形成通气超空泡的通气率较高;对超空泡减阻特性进行了验证,比较了同样初速度的通气超空泡射弹与不通气射弹速...     

变速超空泡航行体壳结构的动力响应分析

通过对变速超空泡水下航行体壳结构受力模型的分析,建立了恒定推力下航行体的平面运动方程,确定了变速过程中的阻力和冲击力。利用有限元方法,进行了结构响应计算,分析了减速过程中节点时域上的最大应力值在轴向的分布情况及典型节点处的响应。结果表明：航行体所需推力和所受应力较大,对其结构强度要求较高;运动过程中,节点时域上的最大应力在空间域上的极大值主要分布在首尾端部和柱壳中部;存在一些振动频率对航行体结构响应影响显著。结果对超空泡航行体壳结构受力和强度分析以及优化设计有着重要的指导意义。&;#61472;     

超空泡航行体阻力系数的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,仿真获得不同空泡形态下超空泡航行体的粘性阻力系数和压差阻力系数,利用这些系数,基于普通流线型航行体的阻力系数估算公式,进行重新拟合修正,形成超空泡航行体的阻力系数估算公式。将无空泡情况下的阻力系数估算公式代入自编的水下航行体弹道仿真软件,计算得到的超空泡航行体全沾湿状态下的水下弹道理论预报结果,与利用模型试验中的实测数据得到的弹道曲线一致性较好,说明数值模拟对超空泡航行体阻力系数的估算基本准确。     

超空泡水下航行器直航弹道三通道控制与动态特性仿真

水下航行器在超空泡状态直航时,其运动模式和常规全沾湿水下航行器完全不同,为保证该模式下直航弹道的稳定性,提出对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚三通道进行特殊控制。从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,分析了其力学特性,建立了航行器三通道空间运动模型;采用空化器首舵和航行器尾舵对超空泡航行器直航弹道进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合。针对超空泡航行器直航三通道进行了动态特性仿真,仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控     

Failure analysis of plastic spherical shells impacted by a projectile

The main objective of the current work is to present an adequate model for the large deformation of a plastic spherical shell impacted by a projectile. On the basis of experiments, the deformation mode of a spherical shell was developed by introducing an isometric transformation of surface bending and the Perzyna–Symonds viscoplastic constitutive equations. By adopting a numerical method, the deformation of a spherical shell under local impact was investigated and the deformation mode was obtained. Finally, a comparison made between theoretical predictions, numerical results and experimental values indicated that the three groups of results were in better conformity with each other.     

航行体加速运动对空泡形态影响研究

基于均质平衡流理论,采用Mixture 多相流模型,通过设置来流速度边界条件随时间的变化,并考虑动坐标系流体体积力,在动量方程中加入源相,实现了超空泡航行体加速过程的数值模拟,得到了航行体加速运动,自然超空泡与通气超空泡形态变化规律.结果表明:航行体加速运动达到匀速状态速度相同的条件下,自然超空泡滞后时间随着加速度减小而减小;在加速度相同的条件下,空泡滞后时间随着速度的增大而减小;航行体加速运动引起通气超空泡形态连续脉动.     

超空泡航行器三维流场仿真及性能分析

提出了带进水管路超空泡航行器基本结构和性能评价方法.基于三维Reynolds平均N-S方程、Mixture 多相流模型和完全空化模型,建立了超窄泡航行器内外流仿真模型.开展了不同航行状态和空化器攻角下流场仿真,分析了航速、航行攻角和空化器攻角对空泡形态、航行器水动力特性和进水管路性能等影响规律.研究表明:航行攻角严重影...     

超空泡航行体的增益自适应全程滑模控制器设计

超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时还存在着流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等不确定因素,这些都给航行体的稳定控制带来了困难。改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,设计了全程滑动模态面,采用自适应算法对系统不确定性及外界干扰上界进行了估计,设计了基于滑模理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明：该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

纵轴式掘进机截割机构纵向随机振动的仿真研究

为了了解纵轴式掘进机的纵向振动特性,提高机器工作的可靠性,分析并确定截割头随机载荷的数学模型,利用拉格朗日方法建立了该型掘进机的纵向动力学模型,通过拉氏变换法对动力学方程解耦,得到了其3阶固有频率和振型.为进一步探究截割头与悬臂、悬臂与机体的刚度对截割头和悬臂振动的影响,利用虚拟激励法求得截割头、悬臂的纵向位移响应,并在ADAMS中对整机多刚体动力学模型仿真,验证了该方法的可靠性.研究结果表明：系统的纵向振动固有频率在6 Hz内,通过增加悬臂与机体的刚度能明显减小外随机激励作用下截割头和悬臂的振动.所得结论为改进掘进机设计和参数优化提供理论依据.     

A local coordinate system for assumed strain shell element formulation

A new local coordinate system is introduced for the assumed strain formulation so that the resulting shell element can pass both the patch test and the locking test. The coordinate system is tested by implementing it in two nine-node assumed strain shell elements. The elements adopting the new local coordinate system not only pass various patch tests successfully but also perform well in locking tests.The present work was supported in part by the Office of Naval Research (Noo14-89-J-3059) with Dr. Roshdy Barsoum as the program monitor.