波浪对细长体运动的影响

基于规则波浪模型建立在波浪中运动细长体的运动模型,推导波浪引起的附加速度和角速度计算方程.通过数学仿真分析波浪对细长体水下运动姿态的影响.     

细长体大攻角非对称涡流的数值研究

运用数值方法模拟了细长体在不同攻角条件下亚音速绕流的背涡结构,探讨了非对称涡流的气动力特性.研究结果表明,在超临界Re数范围内,细长体大攻角绕流的非对称性是沿轴向逐步发展的,背涡结构交替形成、飘起和脱落,并诱导出呈减幅正弦形式分布的截面侧向力.由细长体两侧分离速度不等引起的当地分离涡强度不等是产生截面侧向力的主要因素.随着攻角的增大,流场非对称性越来越显著,侧向力逐渐增大;流场非对称性以及细长体尾部附近类卡门涡街形式的非定常流动都逐渐向前体聚拢.     

辅助支撑系统对细长体结构振动响应分布影响的研究

针对细长体结构,在采用辅助支撑系统及不采用辅助支撑系统情况下,应用有限元方法,分别进行了随机振动响应计算,并对比了两种情况下结构响应的差别,分析了辅助支撑系统对结构振动响应分布的影响。     

考虑刚体运动与弹体变形耦合效应的旋转导弹动力学建模

旋转导弹结构细长,具有较大弹性,结构低频振动易与刚体运动相互耦合。为更好地研究旋转导弹的动力学特性,对考虑刚体运动与弹体变形耦合效应的旋转导弹动力学建模问题展开研究。引入瞬态坐标系,在该坐标系下利用拉格朗日方程建立弹性旋转导弹的惯性耦合完整模型。该模型考虑了弹性变形对质量特性的影响,能够完整描述刚体运动和弹性变形间的耦合效应。在不同假设下,将惯性耦合完整模型简化后可得到弹性耦合简化模型和非惯性耦合模型。仿真分析结果表明：相对于其他两种简化模型,惯性耦合完整模型能够更全面地描述旋转导弹的运动,而刚体运动与弹体变形耦合效应在旋转导弹建模和分析中不可忽略,需要加以考虑;在旋转导弹运动稳定情况下,3种模型的差别主要体现在姿态运动上,而在弹性变形上的差别可以忽略。     

高速条件下细长旋成体背风区流动特性试验研究

导弹全方向攻击时会产生由旋涡主导的复杂流动,发生转捩和流动分离,对导弹的机动性和控制能力具有重大影响。为探索攻角及马赫数对弹体流动形态的影响,针对某细长旋成体在FD-12风洞开展高速粒子图像测速及荧光油流试验,来流Ma分别为0.4、0.6、0.8,攻角范围α为0°～180°,获取了细长体背风区的流场特性演化规律。研究结果表明：当攻角α<90°时,随着攻角的增大,模型背风区流场从附着流变化为分离流,且分离涡从对称变为非对称,最终演化为非定常流动;当攻角α>90°时,情况有所不同,α=100°及α=120°时背风区存在非定常涡脱落现象,时均流场具有明显的非对称性;当攻角α=150°时,迎风面分离区出现不对称偏移,初始分离区下边界已越过模型端面,在模型中后部形成分离线;当攻角α=180°时,时均流场没有明显的特征,在模型头部位置出现了环形分离区及再附区,表明由于底部扰动的影响,该截面流场呈现局部的非定常、非线性流动状态;在攻角相同情况下,增大流场的来流Ma,不但会使分离涡的影响范围变大,也会导致分离涡的位置抬高。     

热力耦合作用下双刀车削细长轴的变形分析

为提高细长轴在加工过程中变形计算的准确性,提出一种考虑了切削热和切削力耦合影响的细长轴切削过程仿真方法。通过对细长轴切削加工过程中对流换热进行分析,求解细长轴的对流换热系数;采用有限元法模拟刀具实际切削过程,提取切削力;将温度载荷和切削力同时加载到细长轴上,准确分析细长轴在热力耦合作用下的变形。结果表明,该分析为工程上有效分析细长轴在复杂边界条件下的变形提供了理论参考。     

超空泡运动体结构的随机动刚度特性分析

采用半解析有限元法建立了振动方程,并对其进行解耦和傅里叶变换,得到了确定性动刚度表达式;考虑结构参数随机性,将泰勒展开法和随机因子法相结合,推导了动刚度的随机性表达式,并讨论了各种随机因素对动刚度均值和变异系数的影响。计算表明:弹性模量随机因子的标准差对动刚度随机性的影响最突出;其他随机因素不变,弹性模量随机因子的标准差增大1 倍时, 3 个极小值点的动刚度均值减小比例均为46. 7%,2 个极大值点的动刚度均值减小的比例依次为 27. 4%、3. 6%;结构参数的变异性为弱变异时,极值点的动刚度的变异性则表现为中等变异,甚至强变异。     

超空泡运动体水平面运动弹道特性研究

为了研究超空泡运动体水平面运动特性,将六自由度运动解耦,建立了有倾斜无侧滑的运动方程。考虑重力稳定方案情况下,分析了超空泡运动体的受力特性。提出两种水平面机动控制力产生方案,一是两自由度空化器方案;二是倾斜转弯方案。研究表明,采取重力稳定方案时,能保证运动体姿态及水平面弹道在扰动下不发散且以较小的幅值周期振荡。两自由度空化器的机动控制力产生效率高于倾斜转弯方案的效率。     

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

滚转导弹过载驾驶仪控制耦合解耦算法研究

舵机动力学滞后引起的控制耦合严重限制了过载驾驶仪在滚转导弹上的应用。建立滚转导弹驾驶仪模型,推导了等效舵机动力学传递函数矩阵,对比研究了基于最优舵面超前角度补偿和输出反馈动态的解耦控制方法,进行了仿真验证。仿真结果表明：随着转速与舵控系统频带比值的提高,控制耦合增加;基于最优舵面超前角度补偿的解耦方法实现简单,适用于工程应用,然而当转速与舵机频带的比值、输入指令频率与舵机频带的比值增加时,解耦效果变差,舵机控制效率降低;基于输出反馈动态解耦方法能够实现完全解耦,且受转速测量精度的影响较小,但该方法要求对舵机的传递函数精确已知,且补偿器的复杂性与舵机阶数密切相关,工程应用存在一定的难度。     

鸭式气动布局单通道控制滚转导弹转速设计

为研究鸭式气动布局单通道控制滚转导弹转速设计问题,通过分析弹体动力学特性,得到导弹增益随控制力频率的变化规律,据此确定了控制力频率与弹体固有频率之间的最优比值关系;通过分析攻角与控制力所产生的法向加速度之间的相位关系,解释了上述最优比值关系产生的物理原因.基于所得到的最优比值关系设计导弹转速,可使弹体对周期变化控制力的滤波效果达到最好.通过数学仿真验证了分析结果的正确性.     

利用有限元和Lanczos法的细长弹体模态分析

介绍了Lanczos算法的理论,建立细长弹体的有限元模型,将Lanczos法与有限元技术结合,对细长弹体进行模态分析,得出不同时刻三种状态下弹体的前两阶模态,研究结果对细长弹箭的设计具有一定参考价值。     

基于动态逆理论的自旋弹控制方法

针对自旋弹存在的非线性耦合特性,研究了以时标分离方法进行分段设计的动态逆理论解决途径.根据系统的变量快慢区分子系统,采取层叠结构设计控制器对分系统进行单独设计,并考虑实际应用中存在的具体实现问题,得到了过载驾驶仪控制器的基本结构.引入实际系统延迟及噪声等因素由dSpace与三轴转台进行了验证性试验,得出了具有工程应用价值的控制器设计方法.     

弹性变形对大长细比弹箭气动特性的影响研究

采用基于N-S方程的计算流体力学(CFD)技术和基于有限元技术的结构力学(CSM)分析方法,结合动网格技术,发展一种求解大长细比弹箭静气动弹性问题的直接耦合方法.以某鸭式布局大长细比导弹(火箭)为算例,研究弹性变形对全弹气动特性的影响.结果表明:相对于刚体模型,全弹轴向力和法向力降低,压力中心明显前移,气动设计中应加以考虑.     

旋转尾翼鸭式布局导弹数值模拟

通过数值方法求解三维非定常N-S方程组,对旋转尾翼鸭式布局导弹绕流流场进行了数值模拟。研究了时间步长、旋转角速度对导弹气动特性的影响,并比较了与准定常计算结果的差异,重点分析了尾翼旋转的滚转控制特性。数值计算结果表明:尾翼旋转对纵向气动特性影响较小,对横向气动特性影响较大,滚转力矩随转速的增大而增大;尾翼旋转可以有效提高鸭式布局导弹的滚转控制能力。     

细长体非对称涡流动及侧向力分析研究

通过对三维Navier-Stokes方程的求解．模拟低雷诺数下细长体大迎角非对称涡流动，来分析大迎角细长体非对称背风涡的结构及影响大迎角细长体侧向力变化的流场因素。结果表明，截面侧向力沿轴向呈正弦规律变化．影响侧向力的主要因素有细长体两侧边界层的绕流特征、分离涡强度不等及两侧边界层的转捩不对称。     

俯仰振荡对细长旋成体非对称流场主动控制的DES数值模拟

为研究细长体背风面非对称分离涡在俯仰振荡中的变化,选取2种典型细长体非对称流态的初始迎角,在固定振幅和频率的情况下,利用脱体涡模拟(Detached-Eddy Simulation,DES)方法对处于非对称流场下的细长旋成体进行数值模拟.计算结果表明,俯仰振荡对细长体背风面流态有巨大的影响,对非对称分离涡有明显的控制作用,在大迎角非对称涡系未破裂以及特大迎角非对称涡系依次破裂的情况下,俯仰振荡都可以改变流场结构,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称.