试验型水下滑翔机的动力学分析及实验（英文）

水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器,它是由净浮力来驱动的,同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。对于大多数水下滑翔机,浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的,文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程,该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成,最大下潜深度为30米。文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性,并且给出了在稳定时刻的解,并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。     

试验型水下滑翔机的动力学分析及实验

水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器,它是由净浮力来驱动的,同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。对于大多数水下滑翔机,浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的,文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程,该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成,最大下潜深度为30米。文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性,并且给出了在稳定时刻的解,并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。     

水空跨介质航行器斜出水过程数值仿真

[目的]水空跨介质航行器(TMAUV)的斜出水过程是一个强非线性、非定常、流场变化剧烈的过程。基于一种可变体的TMAUV的水下构型,利用CFD流体仿真软件,对该构型在典型工况下的出水过程进行数值仿真。[方法]分析航行器在此过程中不同阶段的流场变化特性及其载荷的分布,比较航行器以不同的俯仰角和攻角出水时,在2个典型位置的流体速度场分布和航行器所受流体作用力的特性。[结果]结果表明,航行器倾斜跨越水空界面时两侧的流场和载荷会出现不对称的剧烈变化,俯仰角越大,在水下部分流场受动范围越小,跨越出水部分受影响越大;与零攻角出水相比,航行器带攻角倾斜出水会导致表面所受流体作用力出现高频率、大幅度的反向震荡,影响出水的稳定性。[结论]研究结果可为研究潜射导弹出水、船舶航行、潜艇跨介质等问题提供研究思路和理论参考。     

大深度浮力驱动式水下运载器的浮潜运动研究

基于模型试验,对大深度浮力驱动式水下运载器的上浮运动进行研究与分析,基于数值仿真,提出大深度浮力驱动式水下运载器浮潜运动的快速预报方法,并将预报结果与模型试验结果进行对比,证明快速预报方法的准确性。使用快速预报方法,针对水下运载器比重变化、流体密度变化、水下运载器初速度以及水流扰动4种因素对浮潜运动的影响进行研究.此外,对水下运载器作六自由度运动时所受的水动力进行计算,为后续的六自由度运动预报和研究提供基础。     

潜载飞航导弹发射技术的发展

本文介绍并分析了潜载飞航导弹发射技术的发展过程，重点介绍了俄罗斯（含前苏联）、美国和法国的发展概况。文章谈到了潜载飞航导弹由水面发射到水下发射的演变，重点分析了目前潜载飞航导弹实施水下发射的多种方式，即采用标准鱼雷管的无动力运载器发射、有动力运载器发射和裸弹发射；采用专用倾斜发射管和垂直发射管的运载器发射和裸弹发射等。在比较各自的优缺点后，本文认为，采用无动力运载器和专用垂直发射装置发射潜载飞航导     

波浪对运载器出水姿态角的影响

运载器是导弹水下发射系统的重要组成部分,运载器在水中运行弹道和出水姿态直接关系到导弹发射的成败,因此水弹道设计和仿真是导弹水下发射的关键技术之一。本文对某运载器在水中运动弹道进行了数学仿真计算,并利用波浪理论对运载器近水面航行时的弹道进行修正,讨论了波浪力(矩)对运载器出水姿态角的影响。     

“海长矛“反潜武器运载器

本文介绍美国“海长矛”反潜战远程武器运载器的设计和研制。“海长矛”是封装式的武器系统，可发射导弹和鱼雷，也可以发射深水炸弹。当“海长矛”导弹从水下攻占型潜艇发射时，装有导弹的运载器无控地浮至水面，出水，头盖打开，导弹与运载器分离，进入水中，寻找目标。运载器是带有夹层结构的用石墨纤维湿缠绕的圆筒，分三个组成部分：圆筒，前盖和后盖。运载器可以保护导弹免受自然环境和外界感应因素的影响，它能承受在潜艇上贮存和发射时的冲击载菏。运载器前盖上装行出水传感器。后盖与圆筒的连接设计独特，生产过程简单，成本低。     

基于体积力模型的潜艇应急上浮运动数值模拟分析

[目的]为了探索潜艇应急上浮运动的规律,基于体积力的螺旋桨简化模型,开展不同航速下潜艇的应急上浮运动数值模拟。[方法]对艇体水下定深直航、上浮以及上浮出水进行数值模拟,对比分析不同航速下潜艇上浮过程中艇的螺旋桨转速与航速的匹配,以及上浮运动时间和艇体姿态的变化。[结果]结果显示,随着螺旋桨转速的增大,潜艇获得稳定航速的时间越短,在水下定深直航运动的时间也越短;无论是纵倾角还是横倾角,其第1次发生变化的时刻、产生峰值的时刻等随转速的增大呈减小趋势,同时随着转速的增大,纵倾角的来回震荡波动时间会越来越长,而横倾角的来回震荡波动时间则越来越短。[结论]相关计算方法和研究结果对潜艇应急上浮运动研究具有一定的实际参考价值。     

水下运载器调节索抗流功能的数值计算与分析

调节索是从水下运载器悬下的重型链条,能够在运载器悬停于水中时起到辅助抗流的作用。文中给出了调节索实现抗流功能的控制方程,并对方程中用到的运载器纵向阻力系数、垂向运动时的水动力系数及附加质量进行了数值计算,最后给出了调节索长度及重量对运载器抗流调节范围的分析结果。     

Hydrodynamic characteristics of underwater vehicle with X-rudder configuration coupling with incidence and rudder angle北大核心CSCD

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。     

船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析

[目的]针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。[方法]首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力分布的影响。[结果]结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。[结论]采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。     

潜载导弹垂直发射水弹道和分离弹道研究

针对导弹水下垂直发射时的水中弹道进行了数学仿真研究,计算和讨论了艇速对导弹水中运行弹道的影响和波浪力对导弹出水参数的影响,并在水弹道研究的基础上对导弹与运载器水面分离弹道也进行了数值计算研究.研究过程中在中国船舶科学研究中心进行了水洞模型实验和水弹道模型实验.数学仿真结果与模型水弹道实验数据的比较结果表明,两者相符.     

剖面探测浮标上浮运动研究

文章提出一种新的改变剖面探测浮标浮力的结构方法,即通过液压缸的伸长和缩短改变浮标的体积进而改变浮标浮力.给出浮标的结构简图并介绍浮标的控制过程,校核液压缸的推力;用力学分析的方法推导出浮标匀速运动时的速度,并计算出浮标上浮所需要的体积;分两种状态推导出浮标从静止开始上浮直到匀速运动这段过程内的瞬时加速度以及速度方程.     

线性连续分层流体中水波与截断圆柱浮体的相互作用

研究了在线性连续分层流体中水波与截断圆柱浮体相互作用的问题.在Boussinesq近似下,基于分离变量法,表明了对给定的频率,当它大于浮力频率时,流场中只有一种模态的平面前进波,当它小于浮力频率时,流场中有无数多个模态的平面前进波.基于特征函数匹配理论,建立了作用在截断圆柱浮体上水动力的计算方法.对作用在截断圆柱浮体上的水平波浪力、垂向波浪力和力矩进行了数值计算分析,表明了在某个频率范围内,流体的线性连续分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的.特别地,在入射波频率小于浮力频率时,高阶模态入射波对截断圆柱浮体水动力的影响也是重要的,在海洋工程的实践中应予以特别关注.     

船舶舷侧与小型冰山碰撞数值模拟分析

[目的]研究船舶舷侧结构与小型冰山的碰撞问题。[方法]基于罚函数法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法建立非线性有限元分析模型,针对某油船的船体双层舷侧结构与球形冰山的相互作用过程进行数值模拟,考虑船体结构的变形、海冰的破坏以及碰撞过程中的水动力作用,分析不同碰撞角度对碰撞速度、碰撞力以及结构能量吸收的影响。[结果]结果表明:该数值模型可以较为充分地模拟舷侧结构与冰山的相互作用过程,在碰撞过程中,其碰撞力的峰值与碰撞角度及冰山是否破碎情况有关;碰撞力峰值随着碰撞角度的增大而增大,相对于其他角度的碰撞,在冰山的垂直碰撞情况下,流体对于冰山的速度有着较为明显的衰减作用;在舷侧各结构构件中,舷侧外板为碰撞过程中主要的吸能构件,且当冰山发生破碎时,因在破碎过程中会消耗能量,结构吸能会相对减少,故碰撞力的增幅会小于未破碎情况。[结论]为保证极地航行船舶的安全,可以适当增加舷侧结构强度,并在遭遇冰山时避免大角度的碰撞。     

潜艇破冰上浮近场动力学模型

[目的]随着各国对北极地理和气候环境研究的深入,越来越深刻认识到潜艇在北极所能发挥的政治和军事价值。研究潜艇破冰上浮过程及冰载荷的动态特性,可为潜艇壳体的设计和破冰厚度的选择提供支撑。[方法]基于近场动力学方法建立潜艇破冰上浮过程计算模型。首先,详细介绍近场动力学方法用于捕捉物体断裂问题的理论基础,分析该方法用于海冰材料模拟的可行性。然后,为反映潜艇破冰上浮真实的物理过程,基于接触检测理论,建立海冰粒子与潜艇表面的接触区域识别算法,给出计算接触载荷方法。最后,将近场动力学方法与接触区域识别算法结合在一起,开发潜艇破冰上浮计算程序,以跟踪每一个时刻的破冰状态,计算海冰对潜艇壳体的作用力。并以美国DARPA潜艇模型SUBOFF为计算对象,开展潜艇破冰上浮过程数值模拟。[结果]计算结果表明:在用所提方法模拟的潜艇上浮破冰过程中,海冰的动态断裂过程与观察到的美国核潜艇的破冰上浮结果基本一致,冰载荷的动态变化与实际情况相符合。[结论]该方法能为潜艇与冰的相互作用研究提供思路,所得结果可为极地潜艇壳体结构的优化设计提供支撑。     

水下滑翔机滑翔运动的能量分析及水动力性能研究

水下滑翔机是一种新型水下无人潜航器,它通过改变自身的浮力在海中前进,续航时间可长达数月或一年.文中对水下滑翔机滑翔运动过程中的能量变化进行了分析,建立了上浮和下潜运动数学模型,通过数值计算方法对水下滑翔机不同速度和攻角下的水动力进行了计算和分析,可为水下滑翔机总体设计与运动控制提供参考.     

基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

[目的]为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。[方法]首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果进行对比。[结果]在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。[结论]仿真结果表明,基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。     

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。     

水下滑翔器动力学建模及优化设计

水下滑翔器是广泛应用于海洋观测的新型浮力驱动设备。它通过改变重、浮力的比例实现垂直方向运动,通过固定水平翼以及改变浮心和重心的相对位置实现水平方向的运动。文章使用吉布斯函数和阿佩尔方程建立了水下滑翔器动力学模型并指导水下滑翔器设计。首先获得能够建立水下滑翔器动力学特性和内部各移动重物关系的模型。然后,使用计算流体力学软件Fluent获得模型中水动力参数的数值。考虑固定水平翼位置影响,文中以减小能量消耗为目标,给出水平翼的较优位置设计。最后,通过水下滑翔器模型水域试验数据和仿真的对比,证明了动力学模型和水下滑翔器设计的有效性。