UUV水下动态布放回收流体动力性能数值模拟

UUV与水下对接装置对接的过程中存在双体干扰问题,非线性特征强烈。为了探明UUV在对接过程中流体动力随着对接姿态以及运动距离变化规律,本文借助Fluent软件中的动网格技术开展非定常工况下UUV动态回收过程的数值模拟研究。系统分析UUV运动速度、运动姿态(主要是攻角)对其流体动力性能以及流场结构的影响。本文研究成果可为后续样机试验提供技术指导和理论支撑。

带气囊结构航行体入水回收动力学特性研究

针对大尺度模型入水航行体的回收问题,为避免结构入水下落产生的过大入水深度对发射平台的安全造成威胁,并提升模型航行体的回收效率.文章设计了一种带气囊的航行体结构,认为气囊自空中释放并与航行体同步入水,经上浮后确保结构回收,并给出了模型具体的设计参数.同时基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法建立了带气囊结构入水回收的数值计算模型,结合相关球体入水以及AUV头段入水试验结果,验证了数值方法的有效性并选取了本模型的无关性网格尺度.在此基础上,开展了不同气囊体积下航行体垂直入水回收的计算,选取了该结构对应的最佳气囊体积.随后,针对不同入水参数(入水速度、攻角以及气囊固定位置)进行了带气囊结构航行体入水回收过程的对比分析.研究结果表明,气囊体积对回收效率的提升具有正相关作用,且在体积的选取中应兼顾回收效率与气囊内压响应;入水速度的增加诱导系统运动规模同步增加,不利于回收的进行;入水攻角以及气囊固定位置的不同造成不同阶段航行体偏转运动的差异,气囊固定在航行体中部且较大的入水攻角有利于航行体模型的入水回收.

平头射弹前体参数对弹道稳定性及射程的影响

为研究超空泡射弹前体参数对弹道稳定性和射程的影响规律,建立一种基于模态动力学的流场与弹道高效耦合仿真方法,提出超空泡射弹尾拍过程稳定度和有效射程的量化评价方法,完成针对泡型计算方法和尾拍弹道求解方法的合理性验证。在此基础上,分析射弹不同前体头径和锥段长度组合条件下的弹道稳定性和有效射程变化规律。研究结果表明:随着前体头径和锥段长度的增大,射弹稳定性越来越高,失稳弹道存在“直接失稳”和“振荡失稳”两种模式;射弹各头径对应的最大射程随着头径的增大先增加后减小,设计域内最大射程和最小射程相差3.8倍,前体参数对弹道有效射程有较大影响。

自主水下航行器集群组网技术发展与展望

自主水下航行器(AUV)可借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术实现集群组网,形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网,可以充分发挥不同航行器平台的能力优势,实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合,从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率,还可降低作业成本,并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外AUV集群组网研究现状,总结了集群组网通信、集群感知、控制决策等关键技术和挑战,并针对AUV集群组网的应用需求,其在探测、通信、控制方面的发展趋势进行了展望,为开展AUV集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。

超空泡航行体尾舵展开过程水动力载荷数值研究

超空泡航行体全沾湿航行阶段尾舵展开过程的流体动力载荷对于航行体稳定性分析以及尾舵机性能设计具有重要影响。建立了基于重叠网格技术和网格域间相对运动思想的尾舵展开过程数值计算方法;结合超空泡航行体设计需求,研究了尾舵不同展开速率、不同攻角状态展开以及尾舵展开前后的水动力载荷变化规律;通过对尾舵附近速度矢量场、压力场以及尾舵表面压力系数分析,揭示了尾舵不同状态的流体动力载荷变化原因。研究成果对超空泡航行体尾舵展开过程流场特性研究具有重要参考价值,同时为尾舵机性能设计提供了重要设计依据。

空水跨介质鱼雷动力推进系统构型比较分析

目前外军装备的跨介质鱼雷均为助推运载器+鱼雷战斗部的构成形式,空水复用动力推进系统可使运载器与鱼雷合二为一,从而有效提高水下攻击有效载荷量与航程,且全寿命成本低廉,并有发展多次出入水功能的潜力。空水复用动力推进系统在常规鱼雷动力系统的基础上改造,使之具备空中推进和多模式切换的能力。文中针对3类可能的空水复用动力推进系统构型,从运行原理、系统性能、燃料选择、系统控制、研发难度以及发展潜力等方面展开讨论。研究结果表明,对于轻型跨介质鱼雷,可采用单一OTTO-Ⅱ燃料的构型,对于重型鱼雷则倾向于采用煤油和OTTO-Ⅱ双燃料双燃烧室系统的构型。

UUV变截面自航发射管线型优化仿真分析

为设计适用于无人水下航行器(UUV)变截面的自航发射装置,文中基于电动力鱼雷推力模型和自航发射过程受力模型,分析鱼雷自航发射过程中所受的推力、流体阻力、沿程阻力和局部阻力,依据运动学方程,建立鱼雷自航发射数学模型,依据数学模型建立仿真程序计算出管速度,以出管速度为关键指标优化UUV变截面自航发射管线型。结合变截面发射管结构特点和设计需求,确定发射管各段长度和直径作为约束条件,进而建立优化问题的数学表达式,为加快收敛,采用自适应变异概率的遗传算法进行发射管线型寻优计算,进行100代仿真计算,比较出管速度最终得出优化结果,以结果为依据绘制了自航发射管最优线型,对探索UUV变截面发射技术进行了有益尝试,为变截面自航发射管设计提供了理论依据。

跨介质航行器动力学前沿技术研究进展

近年来跨介质装备受到船舶与海洋、航空航天以及兵器等领域的高度重视,与跨介质航行器相关的总体方案、关键技术、研究方法以及使用效能等成为研究热点。文章阐述了跨介质航行器动力学相关研究背景,综述了航行器入水砰击、出入水流固耦合、跨介质仿生、跨介质动力与推进、新质跨介质装备、跨介质动力学试验与仿真技术等方面的最新研究成果和研究进展,并展望了跨介质航行器发展需要解决的若干前沿关键技术,以期为促进海空界面动力学与无人系统研究提供借鉴。

基于空海异构无人平台的水下目标搜索与跟踪

海上异构无人系统可有效提高复杂任务的完成效率。文中采用自主水下航行器(AUV)和无人机(UAV)来完成近海海域内未知水下目标的搜索与跟踪任务。首先,描述了水下目标搜索跟踪任务,将任务过程分为目标搜索和目标跟踪阶段,2个阶段的目标分别是使AUV&UAV总搜索空间最大化以及AUV与水下目标的末端位置误差最小;然后,建立AUV&UAV跨域协同搜索模型,并设定模型中AUV和UAV探测范围和通信距离等约束条件;最后,在跨域协同搜索与路径跟踪规划中,基于传统粒子群算法,加入自适应学习因子调控策略和精英保存策略,生成搜索与跟踪路径。仿真实验表明,采用改进粒子群优化算法的AUV&UAV异构无人系统能够更高效地完成水下目标搜索与跟踪任务。

基于BP神经网络的非线性流域UUV动态回收过程预测

针对水下无人自主航行器(UUV)回收过程中流域存在非线性干扰问题,提出了一种基于BP神经网络优化UUV回收路径的闭环控制方法。采用计算流体力学(CFD)方法模拟UUV相对于潜艇以不同路径进行回收的水动力系数,将数值模拟结果作为训练BP神经网络的初始数据,利用拉丁超立方法对非线性流域的位置随机采样,采用神经网络输出UUV在采样处的水动力系数,实现非线性流域内UUV动态回收过程的水动力系数预测。结果表明:通过均方根检验神经网络预测水动力系数误差均在10%范围内。将神经网络预测结果与UUV纵向操纵性方程结合,对比回收速度和操舵间隔与理论回收轨迹的误差,优化UUV动态回收路径的闭环控制方案。

利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法

保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式,其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测,并基于探测信息在线、动态地生成跟踪路径,以实现对地形的定高跟踪航行,同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题,提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先,UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测,对获得的地形探测数据进行仿射处理后,得到具有离散特性的定高仿射数据。然后,采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合,生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后,设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架,实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证,证明了其有效性和可行性。

入水速度对冰孔约束下圆柱体倾斜入水过程的影响分析

针对极地环境下超空泡圆柱体入水问题,基于雷诺平均方程引入流体体积模型,结合重叠网格技术建立了冰孔约束下圆柱体入水数值仿真方法。在此基础上,开展不同入水速度下圆柱体穿越冰孔入水过程仿真,分析了圆柱体入水过程中的空泡演化与载荷特性。研究结果表明:冰孔约束限制了孔内水域的流动,进而改变了表面喷溅的状态及空泡壁的形态,以至延迟了空泡表面闭合时间。随着入水速度的增大,冰孔约束对空泡形态的限制作用基本一致,圆柱体头部出现了更大范围的高压区域,且呈现出非对称分布;冰孔约束增大了圆柱体入水冲击载荷,使得圆柱体水下速度加快衰减,并促使圆柱体偏转角度大于无冰工况。研究结果可为极地超空泡武器入水稳定性提供参考。

基于改进PSO-Lévy算法的海流环境下AUV节能路径规划

为了获取海流环境中自主水下航行器(AUV)的节能避障路径,建立了包含海流场速度信息和水下地形障碍的三维动态海流环境模型;基于航行能耗、AUV机动性能约束和障碍物约束,建立增广目标函数,提出了一种基于权重调节机制和随机游走特性的改进粒子群优化-Lévy(PSO-Lévy)算法。将基于最佳阻尼比的参数调节策略和基于Lévy-flight过程的步长随机游走策略引入PSO算法,通过概率执行粒子大步长游走操作以及对粒子惯性速度进行调控,弥补了PSO步长短、跳出局部最优能力弱的劣势。仿真结果表明,所提出的算法能在有效避开障碍物的同时利用海流信息规划出低能耗的最优路径。

水下航行器视觉控制技术综述

视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式,文中将该技术应用于水下航行器控制,并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景,然后对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍,并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下目标抓取作业等3个任务场景,对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析,最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。

基于自抗扰理论的欠驱动AUV无模型自适应路径跟踪控制

面向自主水下航行器(AUV)精准回收的任务需求,针对AUV运动中模型不确定性、易受环境干扰导致的路径跟踪精度不足的问题,从无模型控制的角度出发,提出了一种适用于AUV的基于自抗扰控制理论的无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法。该算法针对2阶系统模型特性,结合视线角制导重新设计控制输入准则函数对无模型自适应控制(MFAC)进行了改进,解决了MFAC只适用于自衡系统的问题。引入跟踪微分器对期望信号进行指令平滑,考虑未知复合干扰的影响设计了线性扩张状态观测器,在控制器中对估计扰动进行补偿,并证明了所提控制器的稳定性,提升了系统鲁棒性。在同样的干扰情况下,文中控制方案相比传统比例-积分-微分控制器抗干扰能力提升了42.37%,控制精度提高了45%,表明ADRC-MFAC能够明显改善AUV的抗干扰性能,提高路径跟踪精度。

Configuration Synthesis and Grasping Performance Analysis of Multi-Loop Coupling Capture Mechanism for Launch and Recovery of Torpedo-Shaped Autonomous Underwater Vehicle

Research of capture mechanisms with strong capture adaptability and stable grasp is important to solve the problem of launch and recovery of torpedo-shaped autonomous underwater vehicles(AUVs).A multi-loop coupling capture mechanism with strong adaptability and high retraction rate has been proposed for the launch and recovery of torpedo-shaped AUVs with different morphological features.Firstly,the principle of capturing motion retraction is described based on the appearance characteristics of torpedo-shaped AUVs,and the configuration synthesis of the capture mechanism is carried out using the method of constrained chain synthesis.Secondly,the screw theory is employed to analyze the degree of freedom(DoF)of the capture mechanism.Then,the 3D model of the capture mechanism is established,and the kinematics and dynamics simulations are carried out.Combined with the capture orientation requirements of the capture mechanism,the statics and vibration characteristics analyses are carried out.Furthermore,considering the capture process and the underwater working environment,the motion characteristics and hydraulics characteristics of the capture mechanism are analyzed.Finally,a principle prototype is developed and the torpedo-shaped AUVs capture experiment is completed.The work provides technical reserves for the research and development of AUV capture special equipment.

跨介质航行器多体分离特性分析

结合计算流体力学数值仿真和动力学模型仿真对跨介质航行器水下分离舱张开特性进行了研究,重点分析了分离舱在分离前后不同状态下所受的流体动力。分析结果表明:1)在合适外形下,分离舱可仅在水动力作用下完成与航行器的分离;2)分离舱受力主要受张开角大小及张开角速度影响,不同张开角下的分离力矩产生主要机制不同,小张开角时分离舱张开主要依靠外表面分离区低压所产生的内外压差,流体力矩主要依靠分离舱前段产生,大张开角时则主要依靠水流冲击引起的法向力,力矩主要依靠分离舱中后段产生;3)分离舱张开角较小时分离舱所受流体阻尼力矩极大,导致分离初始阶段分离舱难以迅速张开,随着张开角变大,流体阻尼力矩系数逐渐减小,分离舱张开角速度迅速变大。因此,在设计分离舱水下分离时,应设计合适外形和分离方式来降低分离舱初始流体阻尼力矩。

带椭球形气囊航行体落水-上浮过程仿真

针对水下发射模型试验中的模型低速落水问题,提出一种带椭球形气囊的航行体落水回收方案,两个气囊等距分布在航行体两侧,航行体与气囊之间用连接带相连。数值仿真基于Abaqus的耦合欧拉-拉格朗日方法,通过对比AUV头段入水的试验结果和仿真结果,验证数值方法的有效性。分析在不同姿态角和不同初始囊压的条件下,带气囊航行体低速落水后的运动过程、囊压变化以及连接带的受力情况。研究结果表明,航行体姿态角是影响落水-上浮过程的最重要因素,初始囊压次之;对于最大落水深度、囊压峰值、拉力峰值而言,趋于垂直落水的工况更加危险,最大落水深度为1.33倍航行体长度,最大囊压为3.7倍基准囊压,连接带最大拉力为2.2倍航行体重力。这些结论可为航行体落水回收的方案设计与结构参数设计提供参考依据。

基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法

随着未来战争对鱼雷武器装备的研制和运用提出“数字化、智能化、敏捷性”的新要求,为解决鱼雷在传统基于文本研制模式下所面临的总体与分系统、设计过程与生产过程存在割裂,致使发现错误不及时、早期验证不充分、信息传递不完整、模型数据不一致、验证范围不完整以及过程追溯不清晰等切实问题,为缩短鱼雷研制周期,提高研制效率和质量,文中结合先进系统工程方法,融合新技术,在对基于模型的系统工程(MBSE)国内外实践应用研究的基础上,提出基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法,将MBSE思想方法与鱼雷技术特点和研发流程融合集成,构建跨阶段、跨专业和跨层级的鱼雷全生命周期MBSE技术体系,提出鱼雷MBSE数字化应用框架及技术路线,提炼了基于MBSE的鱼雷数字化研制过程中需要解决的主要关键技术。该方法可为鱼雷武器装备的数字化研制实践以及全面数字化转型提供参考。

不同厚度航行器高速入水冲击载荷及壳体变形特性

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航行器撞水阶段壳体所受冲击载荷与变形的关联性,获取了壳体变形模式,并分析了壳体厚度对变形的影响规律。结果表明:壳体内凹大变形将增大航行器所受法向载荷,载荷峰值的脉宽虽为“毫秒级”,但对壳体变形具有较大影响。入水速度较低时,壳体变形模式以弹性变形为主,变形区域在上凹和下凸间不断转换,增大壳厚,结构主要通过减小脉宽来抑制变形;入水速度较高时,壳体变形模式以塑性变形为主,依次出现内凹区、拉伸区和卷曲压缩区,随形变量增大,拉伸区不断扩张,而卷曲压缩区不断后移,其中内凹变形受斜入水影响向y+方向偏斜,而卷曲压缩区在壳厚较小时出现S形卷曲对,增大壳厚,结构主要通过减小峰值来抑制变形。航行器斜入水内凹变形非对称性的内在机理为弹性应变与塑性应变的叠加效应,当冲击能量不变时,增大壳厚提升了内凹区壳体对冲击能量的吸收能力,减小了拉伸和卷曲压缩形变量,此为总形变量随壳厚增加而减小的内在机理。本文得到的航行器入水载荷及变形结果,可为相关领域的研究提供参考与支持。