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[硕士论文] 邹实
控制科学与工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代军事科技的发展,“远航程、高精度”已经成为21世纪现代海洋战争导引武器的发展趋势,传统导引律已经无法满足现代导引武器的要求。本文以与中国航天科技集团第八研究院(803所)的合作项目“水下高速运动体复合制导”为背景,对水下高速运动体的串联式复合导引律进行了研究,用于提高导引精度、增大导引航程。
  首先本文针对初导引过程中人工操作失误导致下一导引周期鱼雷可能远离目标的问题,运用模糊控制理论对传统现在方位导引律的抗干扰能力进行优化,设计一种模糊方位导引律。该导引律将雷目方位角误差变化率和鱼雷有利导引方位与目标方位角的差值作为模糊控制器输入,鱼雷航向角的变化量作为输出,基于mamdani推理算法,并采用重心法进行解模糊。该导引律具有精度高,抗干扰能力强,适应目标机动,可避免人工操作介入等特点。
  其次本文基于平面内雷目相对运动关系,针对末导引系统中,两种不同的终端约束条件,运用非线性控制理论提出相应的两种变结构末导引律。第一种是运用有限时间稳定性理论,提出在有限时间内将鱼雷的视线角速率收敛到零的变结构末导引律,并证明该导引律可使得鱼雷在命中目标前就可实现视线角速率收敛到零,该导引律具有较强的鲁棒性并适应目标机动。第二种是在滑模变结构控制中,采用自适应趋近律,提出了带攻击角度约束的变结构末导引律,该导引律将所期望的攻击角度约束转变为期望终端视线角约束,并通过李雅普诺稳定性理论证明了该变结构导引律的到达性。进一步考虑三维模型下雷目相对运动关系,对三维有限时间收敛末导引律进行设计。然后通过对水下复合导引方法交接班策略的分析与研究,推导出一种自适应交接算法,并采用正弦过渡算子对其进行平滑优化。
  最后本文以偏航系统为例,针对目标是否进行快速回旋机动进行了初导引、末导引以及全程复合导引三种仿真。仿真结果表明拦截时间、攻击角度、脱靶量等导引性能指标满足制导要求,说明所提出的导引律具有可行性和有效性。
[硕士论文] 刘元壮
航空宇航科学与技术 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:对于鱼雷热动力系统而言,燃烧室是其中最为关键的部件。在燃烧室中将燃料的化学能通过复杂的物理化学反应转化为热能。大部分燃料在充分燃烧反应后产生的燃气温度都能达到甚至超过2500K,对于直喷式发动机这些并不是问题,但是为提高水下推进效率,绝大多数的鱼雷都是在燃烧室后接涡轮装置,通过涡轮将热能转化为机械能,然后再推动推进器进而推进鱼雷。鱼雷动力装置中涡轮能够承受的工作温度范围一般相对较低,这就使得我们必须要在燃烧室中对燃气掺水降温。鉴于以上情况,本文利用FLUENT商用软件对鱼雷热动力发动机HAP三组元反应流场展开数值模拟研究。
  计算OTTO和HAP在燃烧段充分反应后的组分和热力学参数,根据发动机输出功率和受涡轮叶片所限的燃烧室燃气降温要求,对发动机燃烧室工作参数进行工程理论计算,得到理论上的反应物浓度及供应量,通过热力计算得到反应产物组分参数及能达到合理降温要求的注水量。
  利用FLUENT软件对上述物理过程进行数值仿真建模,利用组分运输模型建立燃烧室内的反应与混合模型,通过DPM模型建立注水模型,以此对鱼雷燃烧室内部流场进行仿真模拟,并与工程理论计算值进行对比验证。
  针对注水喷嘴喷注方式对流场的影响开展了数值模拟研究,分别研究了注水喷嘴的注入速度、雾锥角和注入水雾颗粒的平均粒径对燃烧室流场参数的影响。研究表明相同注水量前提下,注水速度的提高能提高混合效率,但需保持在一定限度内。在一定范围内,降温速度随着注水喷嘴喷雾锥角的增大先增后减。在一定范围内,改变注入水雾的平均粒径几乎不影响燃烧室的燃烧效果和混合效果。
  进行了注水喷嘴位置分布对流场影响的仿真研究,研究通过改变注水喷嘴的注入的角度、注水喷嘴的组数等条件,分析其对于燃烧室降温混合的影响。研究表明,相对于冷却水垂直于壁面的喷注角度,喷嘴以斜角角度越大的角度喷入燃烧室更有利于提高燃烧效率,且可以微弱提高混合效果,但倾角过大时降温速度会显著下降。在一定范围内,喷嘴数量越多,混合效果越好,但混合速度会微弱下降,且增加了结构的复杂性。
[硕士论文] 王宪淼
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:水下潜浮平台是一种可长期潜浮海底、无人控制、自主工作的水下武器平台,可以对周围海域进行实时监测并可做到目标打击,是一种顺应战场无人化发展的水下装备。本论文的研究主要围绕水下潜浮平台的声学预警检测和目标初步探测需求,研究预警检测算法,并对通过低功耗警戒检测阈值的信号进行进一步的确认以及目标特征、目标深度-距离等要素的提取,从而为后续进一步复杂精细化识别提供前级的信号处理。
  首先,针对水下潜浮平台要长期潜浮且无能源补给这一情况,认为水下潜浮平台需要采用预警-确认的检测机制实现功耗的节省。结合目标辐射噪声的特点对多种检测算法进行了分析与仿真对比,并分析了其在水下预警检测系统中的适用性,此外还针对目标辐射噪声含有低频线谱成分这一特点,仿真分析了自适应线谱增强器对各种检测算法的增益,并将线谱检测作为目标确认的方法。
  其次,在确认检测到目标后,需要对目标进行初步的特征提取,本文先对DEMON谱分析这一经典的目标分析方法进行了介绍与仿真分析;MFCC是语音识别中经常用到的一种参数,理论上,人对语音的识别与声呐兵对舰船辐射噪声的识别机理是相同的,基于此,本文对MFCC进行了介绍,并将其应用到水下目标的特征提取中。
  最后,在提取目标特征后,需要获得目标的深度-距离要素,才可以进行更加精细化的识别与定位。水下潜浮平台体积小,不能搭载大尺度阵列,需结合环境信息进行测距。本文研究了一种基于信道多途结构的可以用于单水听器的测距方法,即被动时间反转镜测距,并将其扩展到双元阵,仿真结果表明被动时间反转镜测距方法有着较好的测距精度。
[硕士论文] 马东
航空宇航科学与技术 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:跨介质攻击武器是近年来研究的热点,主要特点在于可以跨越界面从而实现在不同介质环境中的有效运动,能够隐蔽高效突防、执行多重任务,实现水面攻击和水下攻击一体化问题,前景十分广阔。弹丸超音速入水属于跨介质问题,但是在运动过程中,入水瞬间及水下运动规律尚未研究透彻,且其中涉及跨介质的气固液三相多物理场耦合难点问题,因此,弹丸超音速入水冲击过程物理机制的研究具有重大的理论价值和实际工程意义。
  目前,关于弹丸超音速入水的计算研究,方法有有限元法、SPH无网格方法以及ALE方法,但是,国内基于欧拉方法求解弹丸超音速入水的研究仍然很少。因此,本文开发了基于欧拉方法的高精度格式算法,分别研究了弹丸在单介质和跨介质中的运动,并分析了弹丸超音速入水过程的一系列复杂物理现象,解决了气固液三相物质在弹丸入水过程中的耦合问题,为跨介质问题的研究提供了新的方法。主要研究内容如下:
  (1)针对欧拉方法难以追踪物质界面的缺陷,引入了Level set方法对物质界面进行追踪,结合WENO高阶精度格式求解Euler方程,编制了相应的二维程序,通过算例验证了Level set在界面捕捉方面的优越性能。
  (2)结合MGFM虚拟流体方法和Level set方程设定正确的边界条件来处理流固耦合界面,开发了弹丸在空气中高速运动程序,能够很好地模拟弹丸在空气中的运动,验证了该程序的可靠性,为研究弹丸跨介质问题打下基础。
  (3)基于欧拉方法,引入了M-Schmidt空化模型,结合rGFM虚拟流体方法和Level set方法,开发了弹丸在水中高速运动的程序,成功地模拟了弹丸在水中高速运动过程,研究了弹丸超音速入水过程中出现的空化现象。
  (4)基于以上对流固界面和气液界面的处理方式,结合M-Schmidt空化模型,开发了一套求解弹丸超音速入水问题的二维程序(LGWM2D)。利用LGWM2D程序模拟了圆形弹丸和平头弹丸超音速入水两种工况,清楚直观地展现了有关脱体激波、激波与水面相互作用、气垫效应及激波在水介质中传播、开口空泡形态和水面形态变化等一系列复杂物理现象。
  研究表明欧拉方法应用于跨介质研究,可以清晰地捕获弹丸入水瞬间界面及波系发展规律,为进一步研究跨介质问题打下基础。
[硕士论文] 随庆博
航空宇航科学与技术 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着科技的进步,航天领域的金属燃料发动机在水下航行中的应用也越来越广泛。对于金属燃料发动机,无论何种推进原理与金属燃料供应方式,作为整个动力系统的核心部件—燃烧器内的燃烧反应组织形式都十分地重要,因此如何提高燃烧器内部燃烧完全程度,从而提高水下武器的整体动力性能显得至关重要。
  本文针对粉末式供应方式的金属燃料燃烧形式,运用FLUENT流体仿真软件对不同构型的金属燃料燃烧器内部流场进行了数值仿真研究。研究了雾化水滴二次喷口的位置、水滴的雾化程度、雾化水滴的不同喷入角度等不同物理结构因素对金属燃料燃烧反应所产生的影响,通过研究发现:
  同一燃烧器构型下,物理结构因素的改变对燃烧器内部流场的压力分布、速度分布的影响较小,其主要影响内部流场燃烧反应,影响内部流场内的温度、铝金属颗粒以及燃烧产物的分布。当雾化水滴二次喷口位置与燃烧器前端距离较近时,会使得主反应所产生的高温区及铝金属颗粒完全消耗的位置提前,促进铝金属颗粒与水更加充分完全地发生燃烧反应。水滴的雾化程度越高,同样会使得主反应区域的位置提前,从而使反应更加地完全。雾化水滴喷入角度的不同对燃烧器前端的流场影响较大,当喷入角为0°时,燃烧产物与热量在燃烧器前端的大量聚集,会对结构材料产生一定的影响;喷入角度为45°时,温度等流场的分布更为均匀,对结构材料的耐热程度等要求较低,从而有利于动力系统整体性能的提高。不同的燃烧器构型内部的流场分布会有很大的不同,当金属燃料燃烧器构型为雾化水滴一二次喷口位置处的燃烧器直径比1∶0.8或1∶0.6时,由于收敛段结构的存在,会更好地增加内部铝金属颗粒与水的掺混效果,促使铝金属颗粒与水发生燃烧反应进一步地进行。同一构型燃烧器,综合考虑多种因素,得出雾化水滴二次喷口位置与前端距离较近、雾化程度较高以及喷入角为45°的燃烧器结构为优选形式;不同燃烧器构型中,雾化水滴一二次喷口位置处的燃烧器直径比为1∶0.6的燃烧器为优选构型。
[硕士论文] 宫平
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着水下声信号处理技术的日益发展,水下声诱饵、水下声特征模拟器的诱骗模拟性能逐渐提高,使得现阶段智能鱼雷无法对目标实现有效的跟踪定位。为提高智能鱼雷的检测与识别能力,为增强以信息化作战为主体的未来海战场的攻防能力,本文设计了一套智能舰船声模拟装备,搭载TI公司的八核TMS320C6678处理器,实现主被动工作模式下的联合模拟。被动模式下,可多种方式、多亮点地模拟舰船辐射噪声;主动模式下,通过模拟主动侦察过程中目标回波在不同探测角度下强度与尺度的差异,为智能声探测系统以及分布式水下协同探测系统提供多视角下目标特征提取与智能融合的声模拟输入,提高安静型潜艇和水下武器的探测能力和识别能力。
  本文所设计的智能声特征模拟器具备鱼雷自导信号的回波在不同视角下的强度、空间尺度模拟功能以及舰船自噪声模拟功能,具体的功能及参数可由上位机统一控制。当智能鱼雷工作在主动模式下时,本智能声特征模拟系统可以选择存储转发工作模式或固定应答回波工作模式;当智能鱼雷工作于被动模式下时,可以根据所设参数模拟本舰船航行自噪声的时频特性或直接发射所录取的本舰船自噪声。
  为保证声特征模拟器多路信号回波的准确性与实时性要求,需选用具有强大运算能力的处理芯片作为系统信号处理的核心。本模拟器系统采用DSP+FPGA实时信号处理机结构,搭载Xilinx公司的XC7K325T FPGA作为系统总线集成控制器,搭载TI公司的八核TMS320C6678处理器作为系统的处理核心。该处理器集成了8个具有高性能的定/浮点运算功能的CPU内核,其中每个内核的最高频率为1.25GHz,定点性能高达40GMAC,浮点性能高达20GFLOP。
  本声特征模拟器采用多通道信号并行处理的方式,充分发挥TMS320C6678处理器多核之性能,多路信号参数准确、实时估计,实现主被动工作模式下舰船声特征的多角度、多亮点的实时模拟。多核协同方面,采用Enea公司针对DSP优化的实时操作系统—OSE作为系统的运行框架。OSE提供LINX进程间通信服务,使多核应用程序的概念化、分割和扩展更为方便有效。
[硕士论文] 白洋
航天工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:超空泡减阻技术可以使枪弹在水下行进时的阻力减小为原来的十分之一,使枪弹在水中有较高的行进速度,较远的杀伤距离,对新一代水下作战的枪弹具有重要的研究意义。本文利用流体分析软件对三种不同外形的子弹和空化器进行了超空泡形成过程的数值模拟,分析在不同深度和不同速度下的超空泡外形和阻力系数,以期提高射弹在水下的性能。本文具体内容如下:
  首先,介绍了超空泡的产生以及空化现象,超空泡数值计算的方法。
  其次,利用流体分析软件对尖弹头、钝弹头和平弹头进行超空泡数值模拟,得到三种弹头在水下的压力云图、速度云图和超空泡外形,得到不同弹头的阻力系数。
  再次,利用流体分析软件分析了用于减少弹头阻力的三种空化器产生的空泡,得到三种空化器在水下的压力云图、速度云图和超空泡外形,得到三种空化器的阻力系数,比较三种空化器产生空泡的难易程度。
  最后,分析不同速度下的三种空化器运动的阻力系数,比较了安装三种空化器射弹的射程。
[硕士论文] 邓开
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:在鱼雷攻击水下声靶试验中,常使用第三方监测系统作为试验失败时原因查找的依据。但如果是鱼雷攻击活动声靶试验,因为鱼雷和活动声靶均处于水下运动状态,则无法使用常规监测手段来解决试验结果的判别问题。论文设计并实现了一种小型的水声信号监测记录系统,此系统采用小型化设计以减少重量,采用流线型设计以减少流体影响,采用低功耗设计以减小供电需求,搭载于活动声靶使用以解决鱼雷攻击活动声靶试验结果的判别问题。
  论文在小型水声信号监测记录系统方案论证上,明确了系统研制指标,分析了系统的组成与功能,阐述了系统工作原理及使用方法,并提出了外协部件的研制要求和指标。在监测记录电路硬件设计部分,分析了硬件设计思想,挑选了核心器件的型号,介绍了主要电路模块的设计,并设计和制作了PCB电路板。在监测记录电路软件设计中,分析了软件总体流程,制定了上下位机通信协议,并对软件中主要的USB程序模块、信号采集程序模块和数据存储程序模块的设计进行了重点介绍。在上位机软件的设计部分,则完成了软件需求分析,总结归纳了软件流程,并对参数设置程序模块和数据回放程序模块进行了详细设计。论文最后介绍了在完成系统研制后进行的三项试验:系统工作环境模拟试验、系统功能试验和系统性能试验,试验结果证明此系统实现了设计功能,达到了设计指标。
[硕士论文] 曲丰
信息与通信工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:在现代的海战中,线导鱼雷是潜艇攻击远距离水面舰船的主要武器之一,潜艇发射线导鱼雷攻击水面舰船的过程中,鱼雷捕获目标成功的关键在于武器系统能否有效地对鱼雷实施导引。线导鱼雷能否有效捕获目标受多种因素的影响,有必要对其捕获目标的概率进行分析研究。本文首先对潜艇线导鱼雷武器系统作战使用方法进行分析,对比各种线导导引方法优缺点,为后续优化打下基础。然后从鱼雷自导自身性能、外部海洋环境对鱼雷自导的影响以及鱼雷武器系统作战使用要素三个方面对影响鱼雷捕获概率的具体因素进行分析,着重对修正方位导引法和前置点导引法的原理和模型进行研究,并对模型参数进行优化。同时,提出潜艇指挥员决策、武器系统和鱼雷三者结合的优化的使用方法,以克服鱼雷声自导性能自身局限性,提升鱼雷捕获概率。采用模拟仿真方法,对线导+主动声自导鱼雷捕获水面舰船的概率进行了仿真分析。仿真结果表明,在设定的仿真条件下,使用占位优化法导引鱼雷攻击目标的捕获概率高于使用前置点和修正方位法导引鱼雷攻击目标的捕获概率。确实达到了提升鱼雷捕获概率的效果。本文研究了线导鱼雷作战使用方法,主要对线导导引法、目标运动要素解算,自导鱼雷捕获目标原理等进行介绍。重点研究了影响鱼雷捕获概率的因素、线导鱼雷射击导引模型、鱼雷与武器系统综合使用方法等。最后,综合分析,得出鱼雷与武器系统综合使用方法优化结论。
[硕士论文] 张学伟
兵器科学与技术 中北大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,为了提高海军装备和水下作战能力,许多国家致力于在水中兵器的研究。超空泡理论的提出,使水下鱼雷和水下射弹的速度大幅提高,为水中兵器的发展提供了广阔的应用前景。到目前,水下超空泡射弹在水中运动时常出现失稳、弹道弯曲等问题,亦成为水下超空泡射弹研究的重点和需要攻克的难点之一。
  影响水下超空泡射弹减阻性能和失稳的因素有很多,如弹丸的质心位置、空化器形状、空化器大小和长径比等。本文针对水下超空泡射弹的弹道特性进行了数值仿真计算,通过计算分析影响弹道稳定性和减阻性能的因素。
  文中首先介绍了超空泡理论和流体动力学的数值计算方法,其中超空泡理论和数值计算方法为运动仿真提供参考,超空泡射弹水下运动方程为编写弹丸运动的六自由度方程(6DOF)提供理论依据。本文第三章根据经典内弹道方程的基本理论知识,对水下超空泡武器多环境内弹道进行分析计算,通过对比两种环境的内弹道结果和分析内弹道各参数对水下内弹道膛压、初速的影响,得到一些理论基础,为后续超空泡水下射弹外弹道特性分析提供一些参考数据。第四章和第五章,分别采用了二维和三维的拟真建模仿真分析方法,利用超空泡细长流理论和6DOF方程对水下超空泡射弹的减阻性能和稳定性进行研究。通过二维数值仿真分析,对空化器形状对射弹稳定性和减阻性能的影响进行对比研究;通过三维模型数值仿真,分析了超空泡射弹在水下运动稳定性的影响因素,并对射弹的弹形进行了初步的优化设计。
[硕士论文] 宋丹丹
船舶与海洋结构物设计制造 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:为有效提高水中兵器对现代舰艇的毁伤作战能力,在提高水中兵器制导精度和命中概率的基础上,现代兵器已从常规爆破型战斗部逐渐向聚能战斗部发展。本文在对聚能装药水中兵器的发展现状及毁伤特性进行总结的基础上,建立了双层靶板、复合靶板及典型双层壳体潜艇舱段模型,对其在半球形聚能装药水中爆炸的载荷、动响应及毁伤特性进行研究,旨在为潜艇结构遭受聚能型水巾兵器时的毁伤评估提供参考。
  首先,针对聚能装药水中兵器的研究现状及聚能战斗部水下毁伤特性提出本文的研究重点及研究方法。并阐述本文计算采用的SPH-FEM算法及耦合欧拉一拉格朗日算法的相关理论背景,通过将算法的数值解与试验值进行对比,以验证本文所采用的数值算法可以有效地处理聚能射流对典型潜艇结构的毁伤。
  其次,依据可压缩流体动力学理论,采用SPH方法模拟半球形聚能装药的爆轰及聚能射流的形成过程,得到聚能射流的形态及速度分布情况,并将SPH方法与有限元结构进行耦合,基于结构塑性动力学理论,采取SPH-FEM方法对空气中聚能射流侵彻双层靶板结构的过程进行数值模拟,采用CEL算法研究了聚能装药在不同流体介质中的载荷及毁伤特性,确定了聚能装药水下爆炸载荷需考虑冲击波载荷对结构的毁伤效应。
  再次,为考核聚能射流的后效毁伤能力,对复合靶板结构在近场聚能装药水下爆炸载荷作用下的毁伤过程进行数值分析,其中,采用CEL方法模拟了聚能射流侵彻复合靶板结构的过程,采用声固耦合算法模拟了冲击波载荷的作用过程,通过比较分析两种载荷作用下的数值毁伤结果获取聚能射流及冲击波载荷对结构的毁伤模式。并将聚能射流及冲击波载荷联合作用下的毁伤结果与试验结果进行对比以验证数值方法的有效性。
  最后,以典型双层壳体潜艇舱段作为研究对象,采用CEL算法模拟了水下爆炸聚能射流对潜艇舱段的毁伤过程,将数值毁伤结果作为计算冲击波载荷的初始条件,利用声固耦合算法得到潜艇舱段的毁伤结果,并结合缩比试验方法,分析了近场聚能装药水下爆炸对双层壳体潜艇舱段的毁伤特性,为潜艇结构在遭受聚能战斗部水中兵器袭击后的毁伤分析提供参考。
[硕士论文] 梅雄三
火炮、自动武器与弹药工程 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文以某预研项目为背景,以某水下炮为研究对象,针对其在水下工作时的内弹道数值仿真、弹前激波特性、弹前高压气体出炮口与水相互作用形成的气液两相流炮口流场的仿真分析、火药燃气出炮口形成的气液两相流仿真分析、密封机构设计及其运动学和动力学分析以及对关键零部件的刚强度分析等方面展开了研究。
  论文首先分析建立加装炮口密封装置的水下炮内弹道数学模型,并根据自动机装药特性通过MATLAB编程对内弹道进行数值仿真得到弹丸的速度曲线和膛压曲线。其次运用计算流体动力学理论,在Fluent流场仿真软件中建立流场仿真模型,对弹前激波的形成及发展、弹前高压气体与水的相互作用的气液两相流的炮口流场的形成及发展、剩余火药燃气出炮口与水的相互作用的气液两相流的炮口流场的形成及发展、未密封时间段外流场水进入量的多少均进行了仿真分析,得到了炮口装置的最佳打开时间、身管内部初压力的合适值、火药燃气与水作用时燃气压力由出炮口压力降低至初压力所用时间等关键参数,然后再利用流场仿真得到的关键参数进行密封机构的设计,并运用多刚体动力学理论,在Adams中建立加装密封机构后的仿真模型,仿真得到弹丸及密封盘的运动学特性曲线,结果表明密封机构的结构设计是合理可行的,能够实现对炮口的良好密封。最后运用Adams仿真中得到的密封机构工作时零件之间的碰撞力和扭矩及炮口流场压力变化曲线作为载荷在ANSYS中对传动轴及密封盘等关键零部件进行了有限元分析,得到应力、应变云图,结果表明关键零部件的刚强度在工作状态下满足设计要求。
  本文研究方法和研究成果对水下武器的炮口密封方式选择和密封机构设计等方面具有一定的参考价值。
[硕士论文] 张弛宇
火炮、自动武器与弹药工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:水下声弹作为由潜艇发射的水下武器,当到达目标区域后爆炸产生声效能而发挥作战功效。已知的研究表明,爆炸威力决定着爆炸产生的声效能。因此水下运动特性和爆炸威力是研究水下声弹的重点。本论文采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法对声弹水中运动特性和爆炸威力特性进行了研究。研究结论可为水下声弹结构设计、运动特性提升、爆炸声信号研究以及柱形子弹水下爆炸威力场分布等相关理论提供补充和技术支持。
  首先,建立水下声弹水中运动流场模型,利用基于S-A的DES模型对雷诺数Re=106的声弹水中运动特性进行了分析,获得了运动所受的平均阻力系数、升力系数和斯特劳哈尔数,并与已有的同雷诺数下子弹水中运动试验结果进行了对比,验证了数值模拟的准确性。得到并研究了卡门涡街现象以及分析了声弹周围时均流场特性。最后分析了声弹在更高雷诺数情况下运动所受的平均阻力系数和斯特劳哈尔数,以及水下声弹表面截面形状对平均阻力系数和斯特劳哈尔数以及涡街的影响。
  对弹药水下爆炸威力特性进行了研究。建立了爆炸冲击波传播模型,得到了水下爆炸冲击波传播规律。建立了单装药和双装药水下爆炸模型,对比分析了单装药和双装药的传播特性,得到了能量对冲击波持续时间的影响;研究了双装药在不同延时起爆时间下的爆炸特性。建立了有限元模型,对气泡脉动物理过程进行了研究,确定了AUTODYN在模拟气泡脉动过程的准确性,在此基础上分析了爆炸深度对气泡脉动周期和气泡脉动最大半径的影响。
  设计并进行了水下单个炸药爆炸和连续爆炸试验,将爆炸冲击波转换为声信号进行研究。对声信号进行了分析,得到了单个炸药爆炸声压级和连续爆炸声压级。利用小波变化研究了声信号能量分布。研究了一定频率范围内声信号散射强度与频率的关系。利用Welch方法得到了水下爆炸冲击波功率谱。在多子弹连续爆炸试验中,还研究了爆炸间隔时间对爆炸声压级凹点和功率谱的影响。
  在水下声弹柱形子弹水下爆炸威力场研究中,通过分析几种不同长径比柱形子弹的水下爆炸威力场,并与等药量球形装药爆炸威力场进行对比分析,得出柱形子弹和等药量球形装药远场冲击波等效关系,赋予等效关系准确的函数,并对函数进行拟合和推导。再结合P.Cole经验公式得出柱形子弹爆炸威力场计算公式,并对推导公式进行了试验论证,证明了公式的科学性。
[硕士论文] 齐亚飞
航空宇航科学与技术 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:导弹、空投鱼雷及火箭助飞鱼雷等武器在攻击水下目标的过程中都要经历入水过程。弹体在入水过程中位于一个包裹住弹体的空泡内,只有头部与水接触,水下流体动力的微小扰动就会对弹体的弹道及姿态造成影响并引起弹体运动失稳。弹体入水初期带空泡航行阶段的末参数将作为全沾湿航行阶段的初始参数,为保证弹体完全入水后仍然具有满意的弹道特性,对弹体入水初期带空泡航行阶段的弹道稳定性及空泡特性的研究就显得很有必要。
  本文首先基于动量定理及动量矩定理建立了弹体入水初期带空泡航行阶段的六自由度弹道方程,在确定作用在弹体上的流体动力后可以用来预测弹体入水后的弹道,并对作用在弹体上的外力进行了分析研究。其次,利用高速相机记录了四种典型头型的柱状弹体在不同初始条件下的入水过程,通过对图像数据的处理获得了弹体的速度衰减、弹体质心的横向偏移、弹体姿态角的变化以及入水空泡的发展过程随弹体头型、弹体入水初速和弹体入水角的变化规律。基于实验结果和仿真分析研究了弹体在带空泡航行阶段瞬时阻力系数随时间的变化规律以及入水瞬间在水下产生的初始冲击脉冲的衰减规律。最后对入水空泡的闭合机制进行了分析研究,分别基于能量守恒定理和势流理论建立了入水空泡的扩展模型,研究了极端的情况下空泡的扩展、空泡壁的运动及空泡的深闭合等特性。虽然采取了极端的条件,但研究方法具有通用性且也能表示空泡的一般特性。
  本文得到的结果可以加深对弹体高速入水过程中弹体的运动过程及空泡扩展规律的理解,为研究弹体高速入水后带空泡航行阶段的弹道特性提供一定的实验支持和理论指导。
[博士论文] 田文龙
兵器科学与技术 西北工业大学 2016(学位年度)
摘要:水下系留平台是一种投放在海洋中依靠锚链直接与海底相联接的水下平台,在军事防御、海洋资源调查等军民两方面有广泛的应用。为了实现实时监测、侦察的能力,水下系留平台必须具备长时间水下连续工作的能力,水下工作时间是衡量水下系留平台性能的一个重要指标。但是目前水下系留平台都采用自带电池供电,但受体积尺寸、重量的限制,携带能源是有限的,极大限制了水下系留平台的水下连续工作能力。本文以探索研究水下系留平台水下能源补给为主要目的,提出基于水下系留平台的海流能发电装置方案,利用海流能作为原动力,并将之转换为可供水下系留平台使用的持续电能。在广泛查阅和研读国内外相关文献的基础上,采用数值模拟与理论计算研究相结合的方法,围绕基于水下系留平台的海流能发电装置方案、海流发电叶轮水动力性能、叶轮-平台耦合运动性能等关键技术问题展开初步探索性研究。
  本研究主要内容包括:⑴水下系留平台海流能发电装置小型化方案设计。首先根据水下系留平台的特殊性,提出了适用于水下系留平台的海流能发电装置技术指标;按照技术指标,提出了两种适用于水下系留平台的伸缩式海流能发电装置,分别为垂直轴式和水平轴式;利用叶素-动量理论优化设计了一种适用于低流速、小型化的海流发电叶片;提出了利用磁力耦合器进行叶轮力矩传输的方案,有效解决叶轮转轴的水下密封问题,通过磁力场仿真验证了磁力耦合器进行力矩传输的可行性。⑵垂直轴海流发电叶轮水动力性能研究。建立了适用于计算垂直轴海流发电叶轮的CFD仿真模型,详细介绍了计算域划分、边界条件设置、计算网格划分以及CFD求解设置策略;着重分析计算了网格密度、仿真步长以及湍流模型对叶轮非定常计算结果的影响,通过对比已有的实验数据,总结出一套高精度的数值模型设置参数;在此基础上,对比分析了不同叶片弧度、叶片张开角度对叶轮平均水动力性能(推力、侧向力、扭矩和功率)的影响;借助于流场可视化技术,分析了叶轮转速、叶片张开角度对叶轮瞬时水动力性能的影响机理。⑶水平轴海流发电叶轮水动力性能研究。首先对静态叶轮进行定常数值仿真,对比几种不同叶片的叶轮在特定海况下的水动力性能,选出性能最优的叶片作为非定常数值仿真的对象;之后针对复杂工况下的水平轴海流发电叶轮,通过非定常 CFD建模仿真,对比研究叶轮尖速比、叶轮展开长度、平台姿态角以及湍流强度等影响因素对叶轮水动力性能和尾流场分布的影响。⑷水下系留平台耦合运动性能研究。平台姿态变化对叶轮发电性能有明显影响,因此有必要分析叶轮-平台系统耦合运动的稳定性。首先基于 Newton-Euler法建立了水下系留平台主体的六自由度动力学模型;考虑到水下系留平台在海洋环境的作用下处于一种大攻角下的微速分离流动状态,利用 CFD技术分析水下系留平台大攻角绕流下的流体动力特性,得到大攻角下水下系留平台的各水动力参数;根据数值计算结果对叶轮周期性水动力进行拟合,得到叶轮周期性扰动力模型;根据集中质量法建立了水下锚揽的三维动力学模型,引入锚链首端和末端的动力学和运动学耦合条件,建立整个水下系留平台的耦合动力学模型;基于系统耦合动力学模型,分析比较了平台重浮力配置、锚缆长度、叶轮伸出位置以及海流流速等参数对叶轮-平台系统耦合运动性能的影响。
[硕士论文] 何强
武器系统与运用工程 西北工业大学 2016(学位年度)
摘要:论文采用试验和数值模拟方法,对水滴撞击结冰行为进行了系统研究,所取得的主要研究成果及创新性包括:
  (1)通过亲水光滑壁面上水滴撞击结冰行为试验,测试给出了材料热导率、We数和壁面温度对水滴撞击亲水光滑壁面结冰过程的影响规律;并根据热力学定律,推导出水滴结冰时间的理论预测公式(最大相对误差约4.7%)。
  (2)通过亲水微结构壁面上水滴撞击结冰行为试验,测试分析了沟槽类型和尺寸对水滴顺槽向和垂直槽向铺展直径及结冰时间的影响规律;并改进了水滴结冰时间的理论预测公式,试验值与理论值的误差约10.8%。
  (3)利用蚀刻法和Ultra-Ever Dry法制备出疏水性壁面,研究了不同疏水性壁面对水滴撞击运动和结冰行为的影响规律,并发现疏水性壁面在一定条件下可以延缓结冰;同时,基于亲/疏水相间壁面,可实现对水滴结冰过程的“导引”、“切割”和“汇聚”。
  (4)建立了水滴撞击结冰的分子动力学模型,研究了壁面温度、表面能和微结构对水滴撞击结冰的影响规律,发现水滴结冰过程中内部温度梯度现象,并获得了与宏观试验相同的现象和规律,证实分子动力学方法用于模拟水滴撞击结冰的合理性和有效性。
  本文研究工作对进一步揭示固体壁面水滴结冰机理及新型防结冰技术研发具有一定理论参考价值。
[硕士论文] 刘小燕
计算数学 上海交通大学 2016(学位年度)
摘要:鱼雷是现代战争中重要的水中作战武器,鱼雷总体设计的优良直接决定了鱼雷在实际应用中的性能。鱼雷一般由控制、自导、动力、线导、引信、供电、战斗、推进等系统组成,各个系统之间通过耦合方式连接。由于系统过于复杂,导致鱼雷总体设计研究困难重重。在之前的鱼雷优化设计研究中,往往先将鱼雷拆分成独立的子系统,然后再对鱼雷的子系统进行单独优化,这种研究方法降低了鱼雷优化的难度,但是得到的结果往往不是全局最优。近年来,借助于计算机仿真技术及鱼雷整体仿真技术的发展,鱼雷总体设计正逐步成为新的研究热点与难点。本文就是研究在全弹道鱼雷仿真基础上的鱼雷整体优化问题。可是,由于鱼雷仿真系统包含雷体运动学动力模型、自导检测概率模型、弹道模型、目标运行模型等众多组成部分,高维、强非线性、无表达式、系统不光滑、计算时间过长等因素为在此基础上的优化设计带来了极大的挑战。针对这一困难问题,本文作了如下研究工作。
  (1)首先,我们面对的鱼雷仿真模型问题是一个7维的、强非线性、系统不光滑,无表示式、仿真时间长的黑箱问题。针对这一复杂的优化问题,我们选用具有不受函数可导或连续的约束、只运用函数本身的数值进行寻优、能快速收敛到全局近似最优解、且易推广到多目标等特点的遗传算法进行优化求解。在种群大小为10,迭代次数为20,初始的最优个体为0.41,经过近20个小时的运算,运算的最优结果为0.3455,最终得到了一个实践上可接受的结果。另外,我们将遗传算法推广到多目标问题,在耗时约21个小时的计算,最后得到了两组Pareto解集。
  (2)为了进一步克服鱼雷总体设计模型仿真时间太长,导致整个求解时间过长的问题,我们采用空间映射算法对鱼雷总体设计模型的进行优化求解,通过建立粗糙模型,将搜索中鱼雷仿真的工作转移到快速的粗糙模型上。为了建立良好的粗糙模型,我们首先对鱼雷仿真模型进行分析,通过采样对鱼雷总体设计模型进行了降维处理;运用样本的重复率了解模型的极值点分布情况;最后对样本进行改进,并在此基础上运用神经网络建立了一个较好的粗糙模型。
  (3)最后,在建立好粗糙模型的基础上,运用空间映射算法对鱼雷总体多学科模型进行优化,优化时间减少为24分钟,最后优化的结果为0.3436,相比遗传算法耗时20个小时得到最优解,可以说,空间映射算法能够在时间较短的情况下,得到了一个还不错的优化结果。
[硕士论文] 厉尚书
兵器工程 中北大学 2015(学位年度)
摘要:鱼雷入水是气体、液体以及固体三者相互作用的一个复杂物理过程,在鱼雷撞水瞬间会产生高强度冲击载荷,对鱼雷壳体以及内部零部件产生很大的负面影响,最严重的后果是使鱼雷系统丧失作战能力。本文针对空投鱼雷入水过程进行数值模拟,将入水角度设定为垂直入水,对鱼雷入水初期影响受力的因素进行讨论分析,为鱼雷总体结构设计提供参考。
  本文首先叙述了鱼雷和鱼雷入水问题的发展现状;然后对空投鱼雷的结构和材料特性进行分析,对比空投型MU90鱼雷和MK60声自导鱼雷的特性;应用相似理论将鱼雷进行等比例缩放,通过非线性有限元软件AUTODYN对缩比模型进行数值仿真,实现了鱼雷入水过程四个阶段的模拟;对初期鱼雷入水冲击各影响因素进行分析,分析结果表明:(1)对于数值模拟的三种金属材料(钛合金、铝合金、合金钢)鱼雷壳体,钛合金壳体材料表现出良好的力学性能。在入水速度均为20m/s条件下,仅钛合金鱼雷壳体没有发生不可逆性形变,得出钛合金作为鱼雷壳体材料的有效性。(2)针对三种鱼雷头部形状进行的数值模拟结果表明:平底型鱼雷受入水冲击载荷最大,截锥型鱼雷次之,圆锥型鱼雷最小。(3)当鱼雷入水速度越高,鱼雷所受入水冲击载荷就越大,应力波在鱼雷结构体中传播速度越快。当冲击载荷超过壳体材料的屈服极限时,鱼雷壳体发生不可逆变形,鱼雷内部零部件所受冲击载荷变大。
[硕士论文] 孙嘉隆
电气工程 哈尔滨工业大学 2015(学位年度)
摘要:过载开关是火箭助飞鱼雷的专用部件,用于鱼雷入水后与减速伞分离控制。其功能是敏感和判断过载加速度,在入水时输出控制信号闭合开关触点,从而保证击发式热电池与减速伞分离用助力器接通,实施分离抛伞。目前,尚无专为鱼雷配套的过载开关,本文根据某新型鱼雷的需求,开展了过载开关的研制,研制的产品能够满足所配套型号的要求。
  首先,对过载开关所配套的型号的入水过程进行了分析,其由空中飞行阶段转为水下航行阶段的过程为过载开关的工作全程,经过对过载开关所配套型号的入水加速度特性分析,可将加速度信号中的高频部分滤除,来得到冲击过载,同时去除振动及电噪声干扰。结合过载开关的技术指标要求及过载开关所配套型号的入水特性,对过载开关进行了总体设计,确定了工作时序,对过载持续时间以及加速度阈值进行了研究,同时完成了过载开关的结构设计。
  然后,将过载开关的技术指标要求细化到各单元中,包括过载控制单元、输出单元、供电单元和接口四个部分;分别对过载控制单元、输出单元、供电单元和接口进行详细的硬件电路设计;根据过载开关要实现的功能,进行了软件设计,所设计软件通过了软件测试。
  为了分析过载开关的设计是否符合环境指标要求,对过载开关结构设计中的薄壁结构进行了加速度与冲击仿真,仿真结果表明过载开关的结构设计能够满足其力学环境指标要求。同时,对过载开关的可靠性进行了分析,包括故障模式影响及危害度分析(FMEA)与可靠性预计;根据可靠性分析结果,对过载开关电路进行了改进;改进后的电路采用元器件应力分析预计法进行了可靠性预计,预计结果为0.9999,满足可靠性指标要求。
  最后,对过载开关进行了小批量的试制,从零部件的生产,产品装配、筛选、检验、用户使用等方面对过载开关的技术指标进行了全面验证,并且就过程中的积累数据进行了可靠性评估,评估结果为0.996 ,达到了技术指标要求。
[硕士论文] 俞阳
电子与通信工程 重庆大学 2015(学位年度)
摘要:在安全防务中,火箭扮演了重要的角色。影响火箭发射性能的原因有多种,如不平衡因素、发射推力偏心以及火箭发射时发射装置产生的起始扰动等,以上因素会对非制导火箭的飞行轨迹、命中精度和密集度造成严重影响,甚至会导致战斗力下降。其中,发射装置起始扰动是影响火箭性能的主要原因。在火箭发射过程中产生的大推力、强冲击(振动)、高温高压、浓烟粉、强气浪等一系列因素都会引发发射装置的起始扰动。对于具有制导功能的火箭,可以在自身飞行过程中调整姿态来减小发射扰动的影响。但对于大多数没有制导功能的火箭,发射扰动对其发射性能的影响非常大。当今世界各国为了达到不同的战略目标,依然配备着大量非制导火箭。为了更好地研究发射装置扰动对火箭发射精度和密集度的影响,需要对火箭发射时受到的起始扰动进行动态测试和研究,为针对实际发射环境下的火箭发射装置的抗扰动研究提供参考。
  论文根据火箭发射装置的扰动特点,结合构建的空间六自由度运动模型,利用数控系统建立一套地面火箭动态测试控制系统,以模拟火箭发射装置在实际发射过程中产生的扰动现象,并动态测试火箭在扰动中位姿的变化,为研究发射装置扰动的六自由度衰减规律及其对火箭离箱姿态的影响提供实验依据。
  论文根据火箭动态测试控制系统的机械结构及功能,在功能及需求分析的基础上,根据选定的运动机构,对火箭动态测试控制系统总体方案进行了设计,并完成数控系统选型,以西门子SINUMERIK840D数控系统作为火箭动态测试控制系统的控制核心,S7-300 PLC辅助实现逻辑控制,结合其他数控外围模块,完成火箭动态测试控制系统的硬件、电气布局及布线设计,并完成PLC硬件组态设计,PLC控制软件设计、数控系统驱动配置以及驱动系统的优化设计、安装调试等工作。经过实际运行与测试表明,设计完全满足火箭动态测试系统的控制功能要求,可确保整个系统正常运行。
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