浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD 技术应用

水空两栖跨介质无人航行器是近年来研究的热点,该航行器预期实现水 下潜伏,跨水空介质状态转换和空中飞行这3 种航行状态,存在着变密度、结构转换、动力 转换等技术问题亟待解决。自然界中存在着可以自由穿梭于水空环境中的生物,将具有这种 飞行本领的生物作为仿生对象,并进行系统研究,对突破跨介质无人航行器的关键技术研究 有着重大意义。在介绍“鲣鸟”水空两栖跨介质无人航行器这一产品在工业设计流程中的仿生 设计研究的基础上,对仿生设计的研究方法进行创新,阐述CAD 技术在仿生设计中的应用 方法及重要作用。     

混合驱动水下航行器水平推进模式水动力特性

关于水下航行器结构设计优化问题,混合驱动水下航行器(HUG)是一种新型水下航行器,实现了自治式水下航行器(AUV)与水下滑翔机(AUG)结构和功能的集成,具有航速大、航程长、机动性好等特点.混合驱动水下航行器所受水阻力与机动性是其水平推进模式(AUV模式)下的重要性能指标.针对混合驱动水下航行器的要求与结构特点,采用计算流体力学方法,分析了航行器在AUV模式下的航行水阻力和机动性.研究表明,混合驱动水下航行器在集成AUV与AUG功能优势的同时,在AUV运行模式下,航行阻力将增大约30％,航行机动性降低约15 ～25％.结果为混合驱动水下航行器的外形设计提供了依据.     

金属/水冲压发动机进水道工作特性

研究优化冲压发动机性能,针对水下航行器动特性改善问题,为了深入对金属/水冲压发动机进水道工作特性动态规律变化进行了解,提出建立水力特性三维数值模型.运用模型对一种运用于超空泡航行器的水冲压发动机复杂进水道内流场行了数值仿真研究.分析航行器航行速度和深度的增大,进水道流量系数增大,总压恢复系数减小;航行器攻角增大,流量系数减小,总压恢复系数减小.仿真证明超空泡航行器速度、深度及航行器攻角对金属/水冲压发动机给水效率和压力损失的影响机理.可为进一步研究水冲压发动机特性提供了参考.     

高空远程滑翔UUV数值仿真研究

研究滑翔翼优化气动特性,高空远程滑翔UUV是一种集无人空中飞行器技术和水下航行器技术于一体的新概念远程UUV,为了能获取各种气动参数,应用计箅流体力学的数值仿真方法对高空远程滑翔UUV的相关气动特性进行了研究.针对高空远程滑翔UUV的气动外形,通过求解自适应笛卡尔网格欧拉方程,用高空远程滑翔UUV的三维绕流流场进行了数...     

基于SST湍流模型的空化流场的仿真分析

空化器是安装在超空泡航行器前端的关键部件,它的基本功能是诱导和促进航行器空泡的生成.为了使水中航行器系统的稳定性和快速性增强,根据k-ω的SST(剪切应力输运)湍流模型,对圆盘空化器的三维空化流动进行数值仿真,对空化流仿真计算的结果,得到了超空泡外形、阻力特性以及空泡最大直径和长度随空化数的变化规律,并与经验公式的计算结果进行对比.研究结果表明比经验公式计算结果具有良好的一致性,说明所采用的湍流模型和数值方法能够准确预报空化流问题,为研究空化流问题提供了一定的参考依据.     

控位滑行航行器的运动分析与弹道仿真

控位滑行航行器是一种结构简单、能源的利用率高,同时机动性也较好的新型水下航行器.为了解决控位滑行航行器的运动优化控制,针对控位滑行航行器的滑翔和近水面的控位运动稳定性问题,利用控位和滑翔运动特点,根据动量和动量矩定理建立了航行器空间运动数学模型,通过MATLAB/ Simulink软件模块建立了航行器空间六自由度运动仿真模型,并对滑翔和控位运动弹道进行了仿真,分析总结了航行器在不同运动模式和工况下的稳定性,并对不同参数条件下的航行器稳定性品质和衰减历程进行了对比.结果表明在给定的初始条件下控位滑行航行器是能按照预设轨迹航行,完成航行任务,满足设计要求的.     

跨介质飞行器弹道仿真分析

研究气/水跨介质飞行器的动态特性,跨介质飞行器是一种新型概念飞行器,为了了解跨介质飞行器的运动特点,提出建立了跨介质飞行器的运动数学模型,对弹道进行仿真研究.通过对跨介质飞行器的空间运动进行受力分析,进行跨介质飞行器三种典型弹道的仿真分析.仿真结果基本完成了跨介质飞行器起飞巡航弹道,贴水滑行弹道以及触水滑跳弹道三种典型弹道的仿真,而且由于跨介质飞行器的浸水深度较小,极大地降低了水阻力的影响,可以达到较高的航行速度,为气/水跨介质飞行研究提供了依据.     

超高速水下航行器纵平面姿态控制研究

超高速水下航行器在水下航行时,由于大部分表面被超空泡所包覆,其纵平面的运动特性发生显著变化,使得控制难度加大.提出把空化器用作控制面,通过操纵其舵角改变量来控制航行器在纵平面的运动,从而达到间接控制航深的目的.最后运用PID算法进行仿真分析,结果表明采用此控制方法所产生的深度负偏差较小,简单易实现、且鲁捧性好.还对航行器直接深度控制进行探讨,考虑到超空泡工况下深度测量的难度较大,姿态控制具有更强的适用性.     

一种新型的超空泡航行器流体动力布局

超高速水下航行器运行于巡航阶段,为减小其阻力,减小航行器的沾湿部分,会使得横滚运动的阻尼变小,加大横滚通道的控制难度.针对航行器的静稳定特性,采用艏部空化器作为俯仰和偏航运动的操纵面.由于横滚干扰力矩主要来源于航行器机动时产生的离心力,采用不对称方向舵的方式来消除横滚干扰力矩.复合抗横滚控制舵片形成方向舵的上下不平衡,同时还作为横滚控制的操纵面.采用流体动力布局形式完全摒弃了尾部安定面和操纵面,明显减小航行器航行阻力,降低横滚控制舵机的功率要求,有利于机构的小型化.同时放宽了对超空泡外形和人工通气量的准确度要求,方便了超高速水下航行器的工程实现.     

水下航行器X字型舵面故障分析与仿真

X字型舵水下航行器与十字型舵水下航行器相比,舵机系统具有功能冗余性.目前国内对舵机系统的故障诊断主要是针对十字型舵,而对于X字型舵的研究还比较少.针对上述情况,论文分析了X字型舵与十字型舵水下航行器舵面布局的差异以及X字型舵水下航行器流体动力特性,建立了X字型舵水下航行器力及力矩模型,研究了X字型舵在舵面故障情况下动力特性的改变,给出了X字型舵舵面损伤时横滚角的动态变化.仿真结果表明,X字型舵水下航行器在舵面损伤时横滚角趋于发散,通过设置合适的观测器,就能检出该故障,对进一步研究X字型舵水下航行器的故障诊断具有重要的作用.     

水下自航行器外形及水动力性能优化

研究水下自航行器(AUV) 外形及水动力性能优化的问题,为使得AUV具有较小航行阻力的同时拥有较大承载能力,需要不断进行AUV模型重建以及水动力结果分析,人工完成将会耗时很长,Isight多学科优化设计平台搭载常用的优化算法—NSGA-II遗传算法,整合Solidworks、Gambit、Fluent三大集成模块实现数据交换以进行AUV外形的建模、仿真并完成设计过程的自动化和智能的设计探索,确定最佳设计参数;仿真结果表明,最终优化后的AUV不仅减小了航行阻力并且拥有更大的承载能力;因此采用多学科优化软件Isight能够有效提高AUV外形及水动力性能优化的准确性和效率,提升其整体水动力性能。     

海浪扰动下水下航行器的动力定位性能分析

水下航行器动力定位是通过对水下航行器的多个螺旋桨推进器的转速、推力进行控制调节以抵御外界环境扰动,体现了水下航行器在外界环境扰动下执行各种任务的能力.通过对随机波浪扰动下的水下航行器前向动力定位进行建模仿真,分析得到各个状态特性与环境扰动分量对水下航行器动力定位性能的影响.进行了水下航行器的运动方程和螺旋桨动力学特性的精确建模;再针对波频扰动下的变参数问题以及控制器的鲁棒性和自适应性要求,建立了水下航行器动力定位滑模控制器;最后,将PM谱的随机波浪扰动应用于动力定位仿真研究,仿真结果显示,螺旋桨的动力学特性、幅值限制以及波浪的流速与加速度信息直接影响了水下航行器的动力定位性能.     

浮力驱动式水下航行器建模与控制仿真研究

基于浮力驱动式航行器的巨大潜在应用价值,针对其独特的运动特征和可行的控制策略展开仿真研究.对浮力驱动式航行器的水动力学基本特点进行了深入分析,进而由此建立三维空间运动数学模型.在此基础上,重点研究了航行器纵平面的运动特性及其控制规律,建立了稳态参数表达式,将纵平面运动模型线性化,提出了利用线性二次调节器方法设计航行体控制器的方案.并以一组典型的航行体总体参数为例,通过仿真计算证明了控制方案的可行性和有效性.为浮力驱动式航行器总体和控制系统设计的工程应用提供了一定的理论基础与技术支撑.     

超高速水下航行器航向控制研究

超高速水下航行器在水下航行时,表面大部分被超空泡所包覆,其运动特性发生显著变化,使得其工况变得更为复杂、控制难度加大;通过分析它的运动特点,建立了系统模型方程,并提出把空化器作为控制面,通过操纵其舵角改变量来控制航行器航向;最后运用PI极限舵控制算法进行仿真分析,结果表明此控制方法简单易实现,产生的偏差小,同时还提高了系统的响应速度,较好地满足了系统要求,分析结论可为超高速水下航行器控制系统设计提供参考。     

基于FINE/Marine的跨介质航行器数值模拟

针对自由液面跟踪法无法准确预测跨介质航行器运动特性和水动力特性的问题,采用基于自由液面捕捉法的FINE/Marine软件模拟分析DTMB 5415船模顶浪运动以及DLR-F4飞机模型在水上迫降过程中的流场和水动力特性,其中采用BRICS离散格式进行自由液面运动方程离散.与已有实验结果的比较表明,该模拟方法可很好地预测跨...     

高空滑翔UUV气动参数估算与气动特性分析

研究水下航行器,针对无人水下航行器无法同时大幅度提高航速和航程的现状,为优化无人水下航行器气动特性,增强系统的稳定性,提出了高空滑翔无人水下航行器(UUV)总体气动布局进行设计.对气动特性进行分析,根据飞机和导弹气动参数的估算方法,通过类比的方式,对升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、航向静导数、动导数和操纵导数等主要气...     

水下超高速航行器首舵控制系统的设计

水下超高速航行器处于巡航阶段时,由于其大部分表面被超空泡包裹,运动模式不同于常规的全沾湿航行器;为了对超高速水下航行器的定深弹道实施控制,在研究水下超高速航行器运动模型的基础上,对首舵机控制系统的控制率进行了综合,研制了一种新型的深度间接控制的电动首舵机闭环控制系统;详细介绍了功率控制单元的工作原理、硬件设计的关键技术及控制软件设计;地面考核试验证明该控制系统完全满足超高速航行器的姿态控制要求;研究结果可为水下超高速航行器控制系统的设计提供参考。     

抗体工程化微型机器人清除水中新型冠状病毒的研究

由于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型(简称“新型冠状病毒”)(SARS-CoV-2)可在水中保持长时间的稳定性和高度传染性,因此,清除水中的新型冠状病毒成为遏制及阻断其传播的重要途径。该研究采用“点击化学”反应将新型冠状病毒S蛋白的中和抗体P2C-1F11修饰在具有自驱动特性的枯草芽孢杆菌表面,构建了一种抗体工程化微型机器人(antibody functionalized bacteria microrobot,AB-robot)。AB-robot通过P2C-1F11对新型冠状病毒S蛋白的高效靶向作用,对水中新型冠状病毒进行捕获和清除。结果表明,AB-robot在饮用水和自来水等水介质中展示了快速的自驱动能力。以新型冠状病毒假病毒为病毒污染物模型,使用AB-robot后,水介质中病毒清除率高达95%。扫描电镜表征结果显示,AB-robot表面结合了大量的病毒颗粒,进一步表明AB-robot能高效捕获病毒。综上,AB-robot的快速运动和病毒靶向性能促进了其对新型冠状病毒假病毒的即时捕获和高效清除,对防止和阻断水中新型冠状病毒的传播具有重要应用价值。     

基于虚拟仪器的激光水中传输规律的研究

将虚拟仪器技术运用于激光在水中传输规律探索.测量了不同能量的光束,通过不同长度的水介质在窄线宽与宽线宽两种情况下的衰减系数,研究了受激布里渊散射对激光在水中衰减特性的影响.利用功能强大的LabVIEW软件对各种先进仪器进行综合控制.然后对采集到的水中传榆激光能量信号进行处理,不仅提出了一种实时检测水的衰减系数的新方法.并且对激光监测系统的设计提供必要的理论及应用基础.     

应变式传感器在水下测压的应用

由于水介质和空气介质的差异，使得在水中测压较之空气中有着较大的区别。论述了一种新型的应用于水下的自制应变式传感器的工作原理，在理论上解决了水下枪械膛压测试的技术难点，并给出了应用实例，分析了实验现象，得到了满意的实验结果。