基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化

在水下目标定位中,布站构型的共面约束会导致目标单点定位的几何精度因子(GDOP)理论最小值不能达到。为改善水下布站的观测矩阵,将单圆锥扩展为组合圆锥构型布站模式。然而,传统的优化算法易陷入局部最优且存在收敛效率低等问题。针对以上问题,提出了一种改进的自适应粒子群算法。首先提出了一种有共面约束的水下声学定位系统组合圆锥构型,并证明了所提出的组合圆锥构型具有可叠加性、可旋转性以及GDOP旋转不变性;其次,针对布站优化指标单一的问题,构建了一种基于水下目标全局GDOP的布站优化准则;在此基础上提出了一种基于自适应粒子群的优化算法,并应用于组合圆锥构型下的水下声学定位系统布站优化。所提出的自适应粒子群算法能增强布站的全局最优性,提高算法收敛效率和水下目标的定位精度。

基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法

为辨识多信标长基线定位系统误差,及提高定位精度,针对目标安装多个信标且目标体积不可忽略的情况,构建了多信标体制的长基线水下定位模型。进一步针对测元系统误差中包含的声速误差、时延误差,在多信标体制定位模型的基础上,构建了多类系统误差辨识模型,并结合水下目标定位过程,计算时延残差,构建模型最优检验统计量,给出了系统误差模型的最优选择准则,实现水下目标位置参数和系统误差参数的有效估计。仿真结果表明,该模型最优选择准则可以有效选择合适的系统误差辨识模型,提高长基线水下目标的定位精度。提出的基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法可为水下目标定位试验提供理论支撑和有效参考。

混合励磁式电涡流制退机电磁场与阻力特性分析

电涡流制退机具有无液体泄漏、无需密封、阻力稳定的优势。与目前应用较多的永磁式电涡流制退机相比,混合励磁式电涡流制退机采用线圈替代了一部分永磁体,对阻力特性的调节效果更好。对比了混合励磁式电涡流制退机2种可能的结构形式,然后根据磁路分析与初步计算选择出具有更好阻力性能的结构。针对该结构,利用等效磁路法计算气隙磁场,采用子域模型考虑感生涡流影响,建立了求解混合励磁式电涡流制退机阻力值的等效子域模型。根据某口径火炮反后坐要求,确定了制退机的主要尺寸参数,完成了混合励磁式电涡流制退机结构参数的前期设计,并通过数值计算对解析计算结果进行了验证。接着,针对某口径火炮发射时的工况建立仿真模型,以炮膛合力曲线和复进机力的后坐行程函数曲线作为条件输入,分析强冲击载荷下混合励磁式电涡流制退机的电磁阻尼力、后坐位移和后坐速度规律。最后,分析了不同气隙宽度与内筒的电导率对电磁阻尼力的影响,结果表明气隙宽度越小电磁阻尼力越大,同时过大的内筒电导率会导致电磁阻尼力呈现“马鞍”型。本文研究可为混合励磁式电涡流制退机的工程化应用提供理论基础。

战斗部高速侵彻混凝土靶动态响应数值模拟研究

为研究冲击载荷下侵彻战斗部动态响应特性,基于弹-靶分离方法模拟了战斗部侵彻半无限混凝土靶过程,分析了不同装药与壳体头部曲径比、速度及尺寸下战斗部的动态响应,结果表明:装药的最大过载高于壳体最大过载,且装药最大过载、变形程度与装药头部曲径比正相关,应力波导致的装药变形主要分布于头部端面、头部与圆柱段过渡处。战斗部壳体头部曲径比(CRH_(S))增大,壳体及装药最大过载均呈降低趋势,且二者最大过载差值逐渐缩小,CRH_(S)=4时装药的最大塑性应变约为CRH_(S)=2时的29%,且高应变区域明显减小。侵彻初始速度主要影响过载幅值,初始速度越高,战斗部壳体和装药的过载、塑性变形程度越大。而对于不同尺寸的战斗部而言,在不考虑混凝土骨料尺寸、应变率等因素的影响下,战斗部的最大过载、侵彻深度、应力幅值等参量满足相似律,但装药变形程度不符合,战斗部尺寸越大,装药塑性变形越严重。

暴雨环境下滑翔制导炮弹气动特性研究

为研究暴雨条件对滑翔制导炮弹气动特性的影响,基于双向动量耦合的欧拉-拉格朗日方法,采用考虑转捩的剪切应力输运湍流模型(Transition SST)和三阶精度的MUSCL格式,建立了暴雨环境下的滑翔制导炮弹气动特性计算模型并进行数值模拟。结果表明:与无雨条件相比,降雨在弹丸表面形成了贴体水膜层,后续雨滴粒子下落时,会冲击弹丸表面水膜形成凹坑,增加了弹丸表面的粗糙度;随着飞行速度的增加,弹体表明温度逐渐升高,水膜层的厚度随着蒸发不断减小;当炮弹以亚跨音速飞行时,暴雨环境对炮弹气动系数有较大的影响,当炮弹以Ma=0.8的速度在降雨强度为2 200 mm/h的工况下飞行时,阻力系数提高了27.39%,升力系数减小了18.09%。同时,随着降雨强度的提高,炮弹阻力会呈现先增加后减小再增加的趋势,但此差异会随着炮弹飞行速度的增大而逐步消失,而升力系数会不断下降;在降雨强度不变,炮弹飞行速度达到Ma=0.95时,阻力系数提高了32.29%,升力系数减小了18.38%;当炮弹飞行速度达到Ma=1.2时阻力系数提高了21.76%,升力系数减小了18.87%。

基于热源网络法的永磁式电磁制退机热特性研究

永磁式电磁制退机以磁场为能量传输介质,有望彻底解决传统液压式制退机液体泄漏、阻力规律稳定性差等问题。然而电磁制退机工作过程中的热特性变化规律尚未探明,限制了电磁制退机的进一步发展。依据电磁制退机的结构,建立了热源网络温度场分析模型,计算了电磁制退机各主要部件的热参数,结合热路传播路径编写了温度场计算程序,得到了火炮后坐过程中电磁制退机不同时刻的瞬态节点温度,探究了电磁制退机瞬态工作过程中的温度传播规律与分布特性。同时建立有限元模型,对热源网络分析模型进行了验证。最后充分利用热源网络模型计算效率高的优势,开展了连发射击工况下电磁制退机的热特性研究、失效预测和冷却措施探究,为电磁制退机的工程设计提供了参考。

迫击炮同心式电涡流制退机理论建模及试验研究

为了提高机动性,现代迫击炮向车载化方向不断发展,研制紧凑型、低后坐力迫击炮制退机取代笨重座钣结构成为轻型高机动迫击炮发展的趋势。针对该问题,提出了一种迫击炮同心式电涡流制退机,建立了发射载荷下同心式电涡流制退机电磁有限元模型,分析了电涡流制退机阻尼性能、气隙磁场与涡流场特性,研究了不同结构参数下电涡流制退机阻尼性能。研制了同心式电涡流制退机发射试验装置,并进行射击试验,在60 g装药下最大后坐加速度为377 g,最大后坐速度为12.33 m/s,后坐位移为215 mm,后坐位移的仿真结果与试验值相比误差5.11%,验证了仿真模型的准确性。研究结果表明:减小复合内筒与磁钢间工作气隙有利于增大磁场强度;复合内筒厚度超过1.5 mm,电流密度增益效果不明显,并将导致阻尼性能下降。

火箭弹中制导凸优化方法

为提高火箭弹制导过程中的可靠性和环境适应性,提出一种基于凸优化的在线求解规划弹道的方法,使其尽可能的达到其原有的毁伤效能。以制导火箭弹滑翔弹道模型为仿真实例,以控制能量最优轨迹规划模型为研究对象,利用伪谱法离散连续变量,线性凸化非线性动态方程,建立标准凸优化模型,基于凸优化方法求解并进行循环仿真计算得到仿真弹道,并与原理想弹道进行了比对。仿真结果表明,该方法能在偏离预设的初始弹道时,快速求解得到可行的优化弹道,证明了该方法在存在偏差时求解弹道规划问题有一定效果。

头部喷气对跨介质航行体入水过程载荷特性的影响

跨介质航行体入水瞬间会受到巨大的冲击载荷,极易导致结构破坏甚至内部器件失灵。为发展有效的降载方法,本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,研究头部喷气航行体入水过程的载荷特性和流体动力特性,分析喷气压力、喷气高度对降载效果的影响,并探索头部喷气降载方法有效性的入水速度范围。研究结果表明,头部喷气使自由液面下凹形成空腔,并能极大地降低航行体所受阻力和冲击力,延缓了航行体撞水时间,从而实现冲击载荷控制;喷气压力和喷气高度对入水空泡形态及冲击压力峰值的影响都不大,合理的选择既能达到降载效果又能节约喷气量;入水速度为50 m/s时,降载量高达76.51%,但当入水速度为300 m/s时,降载量仅为39.92%。因此,针对高亚声速跨介质入水问题,需进一步探索主被动相结合的复合降载方法。

金属气囊膨胀性能影响因素研究

金属气囊具有较强的承压能力和良好的气密性、形状稳定性及环境适应性,在各类航天器做动变形及减振抗冲击结构设计中成为行业研究热点。主要研究了气囊膨胀过程中导致断裂或褶皱失稳等现象的关键参数,同时分析了进气口位置和气囊边缘厚度对膨胀效果的影响。采用有限元方法,选用5组常用金属材料参数为基础数据,对材料的密度、弹性模量、泊松比和屈服极限进行正交试验。仿真结果表明,金属气囊最大膨胀高度受材料密度影响最大,极差为8.26 mm;最大褶皱深度受屈服极限影响最大,极差为5.48 mm;褶皱数受屈服极限影响最小,极差仅为0.8个;虽然进气口位置将影响气囊膨胀的均匀性,但会在特定区域达到更大的膨胀高度;虽然提高边缘厚度会增加气囊的强度,但会降低气囊最大膨胀高度。结果可为金属气囊的工程设计提供理论参考。

某弹射装置压强异常升高故障分析及仿真研究

探讨了某小型弹射动力装置试验中出现的发射筒内初始压强异常升高的问题,并提出了一种基于零维内弹道模型的计算方法,该方法考虑了富燃气体的燃烧放热反应,具有原理简单、计算量小、计算速度快等优点,使用Matlab开发环境编制了计算程序,与弹射试验结果进行对比,验证了该数值模型的有效性和准确性。在此模型的基础上研究了发射筒内二次燃烧现象。研究发现,无论发射筒内是否发生二次燃烧现象,发射筒压强和导弹加速度的时间曲线均表现出明显的双峰效应,此外,二次燃烧效应不仅会显著提高前峰峰值,而且会导致后峰峰值的下降,在前峰峰值后会出现发射筒压强陡降至较低值的现象。同时,二次燃烧效应也会对导弹的出筒速度和出筒时间造成显著影响。进一步研究发现,通过扩大发射筒初始容积和降低燃气中的富燃气体含量,可以降低二次燃烧效应对发射筒低压室压强和导弹加速度的影响。研究结果为弹射动力装置内弹道的设计提供了理论支持,具有一定的普适性和参考价值。

多特征融合驱动的聚类分阶段剩余寿命预测

滚动轴承的剩余寿命预测对于机械设备的运行有着重要的意义,而过多的特征导致滚动轴承剩余寿命的预测精度降低。提出了一种多特征融合驱动的聚类分阶段剩余寿命预测方法,首先针对过多的冗余特征构建了基于评估指标的健康指标,用于描述轴承的退化过程;其次针对单一的退化轨迹无法精准地表征轴承健康状态的问题,提出了一种聚类阶段划分的方法,进行了轴承不同阶段的划分;然后提出了一种分阶段剩余寿命预测模型,在线识别当前阶段并准确预测轴承的剩余寿命;最后采用西安交通大学轴承数据集进行轴承剩余寿命预测,验证了所提方法的有效性与优越性。

冲击载荷下电涡流阻尼器磁场研究

为研究冲击载荷下电涡流阻尼器的磁场特性,建立了永磁式电涡流阻尼器模型和等效磁路模型,分析了空气间隙处磁场强度与结构参数之间关系;利用有限元法对冲击载荷下电涡流阻尼器的静、动态磁场以及涡流场特性展开研究。研究发现:电涡流阻尼器静态磁场呈“几”字形,阵列式分布,冲击载荷下次级筒产生的电涡流将会与静态磁场相互作用形成一个时刻变化的“几”字形动态工作磁场,且变化情况与阻尼器受到的冲击载荷有一定关系,本文研究结果对提高冲击载荷下电涡流阻尼力控制具有一定的参考价值。

基于DENN的NSGA-Ⅱ算法的串联多药室火炮内弹道性能优化

为了提高串联多药室火炮的内弹道性能,根据串联多药室火炮的发射特点,建立了串联多药室火炮的经典内弹道模型并开展了数值模拟,分析了影响串联药室内弹道性能的主要因素。基于此,采用传统第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对串联多药室火炮的内弹道性能进行了多目标优化,初步分析了主副药室装药质量、活塞质量、点火延迟对内弹道性能的影响。由于NSGA-Ⅱ算法在设计变量维度较高时易陷入局部收敛并导致优化无效,本文进一步考虑火药弧厚、弹丸行程长等设计变量,提出了结合机器学习神经网络(NN)和差分进化算法(DE)加速传统NSGA-Ⅱ的新型优化算法(DENN-NSGA-Ⅱ)。该方法通过让NSGA-Ⅱ算法的初始种群在NN预测的Pareto前沿附近生成,实现对串联多药室火炮内弹道性能的高效优化。数值实验结果表明:相比与传统NSGA-Ⅱ方法,DENN-NSGA-Ⅱ方法通过优化初始种群的生成位置,收敛速度更快,能够得到更理想、更全面的优化结果,实现更高效地内弹道性能优化。

电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟

针对传统火炮上液压制退机存在的漏液、难以维修等问题,利用电磁阻尼机理的电涡流制退机应运而生。烧结钕铁硼作为其中关键的功能件,在火炮发射环境下的磁场保持问题备受关注。为探究此问题,设计了冲击去磁实验平台,测量了不同冲击速度下的冲击载荷与磁体产生的感应电动势,获得了磁体的磁通量变化曲线。结合实验数据特点,建立了烧结钕铁硼的冲击去磁理论模型,开发了冲击去磁过程的联合仿真模型方法,并通过与实验值对比的方法验证了冲击去磁理论模型的有效性。建立了火炮发射非线性动力学模型,结合建立的冲击去磁模型对火炮后坐运动中电涡流阻尼器的去磁效应进行了研究。结果表明,最右端烧结钕铁硼永磁体整体处于可逆去磁区域,仅在永磁体内圈产生不可逆去磁现象,去磁量为0.275 T。该去磁模型拓展了烧结钕铁硼的材料属性,电涡流制退机中去磁效应的仿真计算结果为烧结钕铁硼在电涡流制退机上的工程化应用提供了理论依据与参考。

基于热解动力学的喷管耦合传热数值研究

为研究不同膨胀状态下的复合结构喷管传热特性以及碳/酚醛材料耐烧蚀层的烧蚀特性,本文基于有限体积法编制了一套耦合传热程序,湍流模型采用k-ωSST模型。该程序分别采用二维轴对称N-S方程和二维轴对称热传导方程求解流体域和固体域,耦合传热通过热流密度相等、温度连续的方法实现。并结合热解动力学模型获得了碳/酚醛材料耐烧蚀层的热物性参数随温度和时间的变化关系。采用钝头碳/酚醛试件的气动加热算例验证了该程序的准确性,再对某碳/酚醛材料耐烧蚀层、碳/碳喉衬的复合结构喷管在不同膨胀状态下的传热特性进行了数值仿真研究。结果表明:在发动机工作初期,炭化层厚度沿喷管轴向分布与温度分布趋势相近,随着发动机工作时间增加,由于喉衬对碳/酚醛材料的热传导,使与喉衬交界面成为扩张段内炭化层厚度最大区域;当扩张段出现流动分离,分离点处炭化层厚度较大,之后沿轴向逐渐降低直至为零。

基于火炮膛内气固两相流的热散失模型数值仿真

火炮发射过程中的热散失会影响内弹道性能。在数值仿真时由于直接计算热散失较为困难,通常采用对火药力或者燃气的绝热指数进行修正的方法,但该方法无法准确预测内弹道的性能。为此该文提出了一种基于气固两相流模型的热散失计算方法,从高温燃气与身管内壁的热交换出发,建立热散失模型,并将热散失模型与火炮膛内气固两相流模型耦合,热散失量将在气相能量守恒方程中的源项中考虑。以某155 mm火炮为研究对象,采用MacCormack差分格式求解修正后的气固两相流模型,获得膛内流场变化情况。求解得到的流场参量作为热散失模型和身管传热模型的输入参数,计算出内弹道过程中总热散失量以及身管径向温度分布规律。对给出的2种测试工况进行仿真计算,计算结果与实验结果的比较表明,考虑热散失时各指标误差明显减小,最大压力误差小于1.0%,初速误差小于0.5%。总热散失占火药燃烧后产生总能量的2%~4%。证明了该方法的可行性和优越性,有助于提高内弹道仿真的精度。

基于空间域特征的引信安全控制方法

针对引信高性能安全控制及全寿命安全性的要求,提出了一种基于空间域特征的引信安全控制方法。基于结合传统引信安全性要求与新型弹药的使用背景整理出的全域安全性要求,明确了引信空间域及其特征概念,基于此概念对有控弹中制导与修正过程进行分析,提出了一种基于引信空间域特征安全控制方法,包括基于马氏距离的弹道距离测量方法,基于实际弹道采样坐标与基准弹道的距离和圆概率误差数值进行判断的“距离+时序”识别方法,以及基于距离匹配窗口的时间对应性评判方法。基于某二维修正弹药弹道数据,通过输入模拟正常修正弹道、异常弹道和基准弹道进行了仿真分析。数值仿真结果表明,该识别方法能够识别出多方向距离的差异性,对修正弹道有一定的误差容忍范围,对异常弹道能够通过逻辑判别准确筛出,证明了基于空间域特征的安全系统解保方法的可行性,为引信安全系统高性能安全控制提供了一种新的设计思路,可为解保策略的设计提供参考。

电磁/液压制退机对火炮运动特性的对比分析

为研究不同制退机对火炮动态特性的影响,设计了一种永磁式电磁制退机,以相同的射击载荷、后坐质量、后坐时间与位移为条件,确定电磁制退机、液压制退机与弹簧式复进机的结构参数,建立制退机力与复进机力的计算模型,求解火炮后坐复进运动动力学方程,得到火炮运动诸元与制退机力变化规律;基于lanczos法利用有限元软件对火炮结构进行柔性化处理,搭建刚柔耦合动力学模型,分别对永磁式电磁制退机与节制杆式液压制退机进行仿真分析,得到不同射角下火炮的运动情况与部分参数的动态响应,结果表明:与节制杆制退机相比,永磁式电磁制退机能够有效降低火炮运动过程中的炮口位移幅值与耳轴所受扭矩,改善火炮的运动特性。

吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究

燃料的掺混均匀度是爆轰发动机起爆和爆轰波稳定传播的主要影响因素之一。为了探究不同燃烧室结构对吸气式旋转爆轰发动机内燃料与氧化剂掺混效果的影响,开展了爆轰发动机冷态流场三维数值模拟。采用密度基隐式格式求解三维N-S方程,以小孔进行燃料喷注的吸气式旋转爆轰发动机为模型,保持空气/乙烯的来流条件不变,分析了燃烧室入口扩张方式、凹腔燃烧室结构以及阻塞比对冷态流场掺混效果的影响。研究结果表明:燃烧室入口扩张方式的不同会影响超声速气流进入燃烧室形成的反射波结构,从而改变回流涡的位置,影响空气/乙烯的掺混效果;在燃烧室内壁面增加凹腔后,燃烧室头部的凹腔区域形成的低速回流区会卷吸流经的气体,可明显改善双侧扩张和内侧扩张型燃烧室的掺混效果;增加阻塞比,空气主流速度降低,凹腔内回流涡影响区域增大,空气与乙烯在燃烧室内掺混位置前移,掺混效果提升。