环形气囊水下充气展开过程仿真与分析

为了对水下航行器环形气囊的水下充气过程进行研究,依据控制体积方法基本思想,运用热力学和弹性体弹性本构模型等理论,建立了气囊水下充气过程数学模型,并在此基础上编制计算程序,对该气囊水下充气过程进行了仿真,同时对影响气囊水下快速充气的因素进行分析。仿真结果表明,所建立的模型能基本反映环形气囊水下充气过程相关参数的变化规律,可为后续水下航行器上浮过程的仿真研究提供参考。     

水下无人航行器折叠气囊充气展开特性模拟研究

为深入了解水下航行器助浮折叠气囊的充气展开行为,对水下环形折叠气囊的充气展开特性进行相关研究。基于初始矩阵法,建立环形助浮折叠气囊的有限元模型。基于控制体积方法,采用有限元分析软件LS-DYNA进行折叠气囊的展开仿真计算。通过与地面展开试验的初步对比,验证气囊环向折叠建模方法的有效性。考虑不同水深带来的外部压力效应不同,进一步分析充气压力、充气管径、水深、环境热交换等设计参数对水下折叠气囊展开过程的影响。结果表明：气囊极限工作深度随充气压力的升高而线性增加;充气时间随充气管径的增加而减小;环境与展开系统的传热作用主要发生在气囊与环境之间,在气囊与气瓶充气平衡后进行,气囊完全展开的时间随着传热系数增加而减小。     

便携式水下航行器近水面航行波浪力计算分析与预报

基于三维势流理论,运用边界元法计算便携式水下航行器近水面航行作业时受到的波浪力,计算入射波不同参数和航行器上浮和下潜时不同姿态组合下航行器受到的波浪载荷。分析发现可以采用航行器的实时纵向位置来代替有航速情况下的遭遇频率,考虑各因素影响并对波浪力的数值计算结果进行函数拟合。该方法拟合得到的波浪力计算公式可以直接加入航行器运动控制方程中,为评估水下航行器在波浪载荷下的操纵性研究带来了方便。     

水下垂直发射多约束弹性体运动仿真方法

考虑水下航行体的弹性特性,建立航行体与发射筒之间接触、摩擦作用的刚柔耦合模型,发展了多约束航行体水下垂直发射动力学仿真分析方法。给出算例,获得了筒内弹道、水中弹道、航行体姿态和内部载荷等参数的变化规律。分析表明,计算结果能够反映航行体水下垂直发射过程的特点,计算方法合理可行。     

水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中,微气泡流形态及减阻特性的变化规律,采用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,在水洞中开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。基于该驱动装置,实现了航行体模型以正弦变化规律的角速度绕其头部转动;基于高速摄像系统,分析了微气泡流形态变化特性;基于测力系统,分析了俯仰运动过程中水下航行体流体动力特性及不同通气量下微气泡减阻特性变化规律。试验结果表明：较低通气量下,在水下航行体俯仰运动过程中,离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;随着通气量的增加,微气泡流密度逐渐增加,透明度逐渐降低,并最终融合成透明空泡;航行体俯仰运动过程中,其航行体轴向力系数和法向力系数基本呈正弦变化规律,且其周期与攻角变化周期基本同步;不同通气量下航行体轴向力系数的变化规律基本相同,均呈正弦变化规律,且随着通气量的增加,相同姿态下的航行体轴向力系数逐渐减低,并最终趋于恒定。     

航行体水下发射出筒的减振垫占空比研究

航行体水下发射出筒是一个复杂的刚体运动与振动耦合过程,且伴随着复杂流体动力学现象的产生。运用多体系统动力学理论和仿真软件建立减振垫适配关系下的航行体水下出筒动力学模型,使用缩比试验获得的实测水动力数据和内弹道对航行体水下发射过程进行动力学仿真,研究航行体出筒弯矩载荷和姿态角速度随占空比和减振垫数量的变化情况,分析影响占空比选取的两个因素,为研究提供参考。     

仿形诱饵体充气展开过程及红外辐射特性

为了提高坦克和装甲车辆的战场生存概率,提出一种气囊充气式仿形诱饵体。基于LS-DYNA有限元分析软件并采用控制体积法模拟了简化的气囊诱饵体的充气展开过程。获得了气囊充气过程中,气囊外形变化的动态结果,囊内压力和温度的变化规律;分析了气囊的热辐射特性,得到了气囊在不同温度下的光谱辐射出射度及其在3~5μm和8~14μm波段下经大气衰减后的辐射强度变化对比曲线。研究结果对仿形诱饵体的设计具有一定的参考价值。     

水下航行体动态响应计算的附加质量探讨

水下航行体在出水过程中,横向受到由空泡回射和空泡溃灭带来的冲击压力,引起航行体横向的振动.本文建立了航行体的梁模型,考虑了出水过程中附加质量的变化,计算了出水过程中航行体横向振动频率、振型及响应.从计算结果可看出,在计算出水过程航行体横向响应时,应该考虑附加质量的变化.     

水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中微气泡流形态及减阻特性的变化规律,利用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。试验过程中,基于自主设计的驱动装置,实现航行体绕其头部按正弦规律作俯仰运动。研究结果表明：当体积流量系数较小时,水下航行体运动过程中离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;水下航行体俯仰运动过程中,轴向力系数、法向力系数、阻力系数和升力系数的变化规律类似,均呈正弦变化规律,且其变化周期与攻角变化周期基本同步;对于不同体积流量系数下俯仰运动的航行体,随着攻角的增加,其阻力系数均呈近似线性增加规律,减阻率呈逐渐线性减小规律。     

基于Kane方法的波浪驱动水下航行器动力学模型建立

基于多体系统动力学理论,定义并选取适当的坐标系和广义坐标,对波浪驱动水下航行器多体系统进行运动学分析,得到各部分的速度和加速度;基于Kane方法进行动力学分析,计算各部分的偏速度和偏角速度,进而求得系统的广义主动力和广义惯性力。将系统的广义惯性力和广义主动力代入Kane方程中,得到波浪驱动水下航行器多体系统动力学模型。在受力分析中,不仅考虑了惯性力、惯性力矩、重力和浮力以及流体动力,还重点分析了波浪力和多体系统的附加质量力。对波浪驱动水下航行器进行了运动仿真,仿真结果显示航行器航行稳定,所建立的模型是有效的。     

无人机软着陆气囊缓冲特性研究

以上单翼布局无人机为对象,建立软着陆气囊缓冲系统的简化解析模型,开展了气囊软着陆系统缓冲特性的研究。在此基础上,进一步确定气囊设计参数的可行取值域,选取气囊初始设计参数。之后,构建缓冲系统的动力学有限元模型,分析了气囊设计参数及着陆姿态对于缓冲效果的影响。研究结果表明,正常着陆工况下,解析模型得到的气囊设计参数对无人机质心过载峰值的影响规律与有限元分析结果基本一致,不过由于解析模型中引入了多个假设,两种方法得到的过载峰值大小存在差异。当着陆存在初始姿态角时,会加重无人机缓冲过程中的俯仰与滚转运动,易造成机体的损坏。为了避免二次硬冲击带来的局部意外损害,提出一种组合型气囊设计方案。仿真分析表明,应用组合型气囊可以在缓冲后段提供有效的软支撑作用,避免无人机发生二次硬冲击和反弹翻覆。     

超高速水下航行器纵平面运动特性分析

超高速水下航行器运行于巡航阶段时，由于大部分表面被超空泡所包覆，其运动模式完全不同于常规的全沾湿水下航行器，表现出独有的运动特性。为了对超高速水下航行器实施深度和姿态控制，研究其纵平面运动特性是必要的。该文从超高速水下航行器流体动力产生的机理出发，分析了其力学特性，建立了航行器纵平面运动方程，分析了其欠阻尼运动特性，指出了运动控制中攻角不得超限的关键问题，给出了控制作用不能太强的建议，以上分析结论可为超高速水下航行器控制系统设计提供参考。     

一种基于切片法的分层海流下运载器附加扰动力计算方法

由于海流的复杂性,在水下无动力运载器的弹道计算中,仅以恒定海流速度求解其附加扰动力的常规方法存在较大误差,影响了运载器的出水姿态。本文在用计算流体力学（CFD）方法求得其流体动力无因次系数的基础上。采用切片法计算得到运载器的附加扰动力。并对两种方法在均匀海流和分层海流两种情况下附加扰动力的计算结果进行了比较,结果表明,均匀海流下两种方法的计算结果一致,而在分层海流下,若选择合适的切片数,使用切片法的计算结果比常规方法要精确。     

基于侧喷流直接力技术的运载器姿态控制方法

侧向喷流直接力控制技术已在大气层外动能拦截器和大气层内防空导弹中得到成功应用.运载火箭作为跨大气层飞行器,可以尝试采用该技术进行姿态、轨道控制.介绍了一种由侧向喷流发动机作为姿态控制执行机构的运载器,建立了运载器在大气层外飞行条件下的姿态动力学模型并设计了姿态控制规律.仿真结果表明,在姿控发动机存在安装误差的情况下,所设计的控制规律可以实现对运载器姿态的控制,通过选择控制器参数改变系统的响应特性可以满足迅速、精确、稳定地控制系统的要求.由此可见,采用侧向喷流直接力姿态控制系统能够完成运载器姿态控制任务.     

波浪和海流条件下潜射飞行器出水姿态参数研究

在铅垂平面内研究波浪和海流条件下潜射飞行器出水姿态参数确定问题,给出波浪和水流的数学模型,建立铅垂平面内飞行器的水中运动方程,给出确定惯性力、粘性力和浮力的公式,针对某飞行器进行出水过程的仿真计算,结果与理论分析相吻合.     

舰船机动中拖曳系统建模与定深控制研究

针对拖曳系统在舰船机动过程中拖体深度产生复杂变化的问题,考虑拖曳系统运动和舰船操纵之间相互作用,建立了相应的耦合数学模型。舰船采用经典的MMG模型,拖缆和拖体的动力学模型分别采用有限差分法和水下运载器的六自由度运动方程。采用数值计算方法,获得了系统在舰船机动过程中的响应,并运用经典PID算法,通过控制拖体水翼的攻角,实现了拖体在舰船机动过程中的目标深度控制。仿真结果表明这一方法正确有效,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

基于隐式增量动态逆的水下运载器出水姿态控制

显式动态逆控制直接利用非线性对消来实现对系统的精确线性化,但由于实际模型存在不确定性因而会造成在对消过程中存在逆误差,使得控制的鲁棒性难以保证。在解决水下运载器出水运动问题中,由于存在较强的不确定性,显式动态逆控制无法消除逆误差的影响。出水过程中水动力变化剧烈同时海浪强烈作用,因此需要对姿态控制问题进行着重研究。在仿射形式的水下运载器出水运动数学模型基础上,推导并得到了隐式增量形式的动态逆控制律,利用层叠结构思想将系统划分为慢快两个回路。在时标分离的慢快回路基础上,引入状态变化率反馈,设计了不依赖精确数学模型的隐式增量控制律,提高了控制的鲁棒性。基于隐式动态逆相应的控制算法,考虑海浪作用、水动力参数摄动以及测量噪声的影响下,对水下运载器出水姿态进行跟踪控制,验证了控制律的有效性和合理性。     

阻尼板对水下航行体的力学影响作用

为更加准确地分析阻尼板对航行体产生的力学影响,分析无界流场状态下无壁面与有壁面时的平板力学.首先建立阻尼板对航行体整体的作用力和力矩关系表达式;其次通过仿真分析阻尼板周边的流场变化,得出阻尼板受到的流体作用力矩随张开时间并不呈简单的线性关系;最后利用FLUENT软件对带阻尼板与不带阻尼板的水下航行体进行数值模拟.结果表明:阻尼板的存在会使水下航行体的轴向附加质量增加并且尾部流速降低,可为阻尼板对水下航行体的力学影响作用分析提供一种思路和方法.