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。

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。

衡重参数对超空泡航行器振荡特性的影响

为研究衡重参数对超空泡航行器振荡特性的影响规律,结合流体体积多相流模型、Realizable k-ε湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型和刚体运动方程组,建立超空化流场和刚体运动相耦合的仿真模型,并与试验结果对比,验证仿真模型的合理性。通过仿真计算研究超空泡航行器的自由运动特性,定量总结质量和质心位置的改变对超空泡航行器振荡特性的影响规律。研究结果表明:所建模型仿真结果与试验结果变化规律一致,俯仰角和偏航角相位差1/4个周期,振荡周期约为0.0795 s,偏差不超过3.38%,仿真模型可靠;超空泡航行器的自由运动表现出类圆锥动态振荡特性;随航行器质量的减小,姿态角的振荡幅度基本不变,弹道的振荡周期逐渐减小,质量减小33.33%,周期减小13.26%;随着航行器质心位置的前移,姿态角的振荡幅度逐渐增大,弹道的振荡周期逐渐减小,质心前移25%,周期减少14.29%。

冰孔约束条件下航行体垂直出水空泡演变数值研究

高纬度地区在冬季不可避免地出现结冰期,考虑到低温冰区水下发射过程中面临冰层裂隙的特殊力学环境,扩展低温冰区中的潜射海洋装备具有重要的工程价值。浮冰的存在必然增强潜射航行体高速出水过程中的非线性。文中采用动态流体相互作用模块对航行体建立6自由度运动模型,通过对不同冰孔尺寸、冰孔形状约束条件下潜射航行体的水下运动及穿越水面阶段对比分析,探究冰孔对出水空泡演变的影响。研究发现:在冰孔约束出水过程中,冰孔对空泡具有明显的束缚作用,且束缚作用随着冰孔尺寸的减小而增强;相同冰孔形状下,冰孔尺寸越小,其对航行体俯仰运动特性影响越大;相同冰孔尺寸下,圆形冰孔对航行体俯仰运动特性影响大于正方形和三角形冰孔。

空心弹入水射流与空化特性仿真

空心弹入水过程中,高速水射流的产生是影响其入水的关键。为深入研究空心弹通孔孔径对射流和入水特性的影响,文中建立了不同孔径的空心弹垂直入水仿真模型,并对比分析了不同孔径弹丸的孔内压力特性与空泡发展差异。分析结果表明,孔径比与初始碰撞时刻的孔内压力强度有关,且随着孔径比的增加,射流的高度与速度均有所降低,这与通孔内的压力梯度现象有关;同时,压力梯度的强度随着孔径比的增加而降低。文中还对空心弹空化现象发展进行了简要描述,分析了孔径比对空化现象的影响,可知随着孔径比的增大,弹体产生的蒸汽量逐渐减少,空泡闭合时间提前。

基于数据融合的无人帆船真风计算方法

针对无人帆船真风获取困难且所用风传感器受帆船姿态影响的问题,提出了一种基于姿态信息、相对风和航行风融合的无人帆船真风计算方法。首先利用姿态仪获得帆船的俯仰角和横滚角,通过空间坐标旋转变换矫正相对风测量结果;其次利用卡尔曼滤波算法对航行风和矫正后的相对风进行滤波;最后利用扩展卡尔曼滤波进行真风融合计算。实验证明,该方法能够有效抑制帆船运动对风测量的影响,准确提取真风风速和风向,满足无人帆船航行控制需求。

横流环境中灭雷弹弹道特性分析与优化

针对高横流环境中灭雷具定深投弹的精准度难以达成,通过灭雷弹物理参数和海流环境构建灭雷弹数值计算模型,采用有限元法对投弹过程进行仿真,分析了初速和横流条件对灭雷弹弹道的影响。进一步以灭雷弹重心位置和尾部直径为设计参数,以弹着点位置误差为目标函数,结合粒子群算法对高横流条件下的灭雷弹运动进行联合仿真优化。结果表明:由于海水阻力较大,灭雷弹初速对弹道影响很小,横流的流速对弹道的影响较大;优化后的灭雷弹在下落时保持倾斜姿态,弹着点位置偏差降低约94%;建立的多目标优化模型为精准投弹设计提供依据。

EPF和PF在水下三维纯方位目标跟踪中的应用

针对水下目标跟踪问题,以静止双观测站三维纯方位跟踪系统为研究对象,介绍粒子滤波(Particle Filter,PF)和扩展卡尔曼粒子滤波(Extended Kalman Filter,EPF)的基本思想和算法实现步骤,根据建立的目标运动模型,在目标运动速度不同、粒子数目不同的情况下,将EPF、PF在双观测站三维纯方位目标跟踪系统中进行仿真分析,并结合UKF、EKF算法进行对比,结果表明,EPF算法相较于其他算法有更好的跟踪效果,并且不需要选取过多的粒子数目就可以达到较好的跟踪效果,但跟踪时间长、实时性较差。

深水爆炸作用下耐压圆柱壳的稳定性研究

采用有限元软件ABAQUS,基于国军标标准建立典型耐压圆柱壳有限元模型,研究其在深水水下爆炸作用下的毁伤特性。首先计及静水压力的影响,采用特征值屈曲和非线性屈曲方法对耐压圆柱壳的稳定性进行分析,在此基础上计算水下爆炸载荷作用后的耐压圆柱壳模型的剩余强度,并分析药量、爆距等因素对结构剩余强度的影响。研究表明:静水压力作用下,耐压圆柱壳的失稳会沿着初始变形处展开,且内环肋圆柱壳的承载能力优于外环肋圆柱壳;水下爆炸载荷一旦对耐压圆柱壳造成塑性毁伤后,其结构稳定性会大幅度降低。

跨介质航行器入水过程数值仿真

航行器跨介质入水过程往往伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性,不仅会加剧流场的复杂性,还使其所受的作用力呈现出较强的非定常性和非线性。文中建立了航行器入水过程的数值计算模型,采用流体体积模型捕捉气液交界面,使用Schnerr-Sauer模型对跨介质过程中产生的空化过程进行描述。对不同通气量和空化器倾角下的跨介质航行器入水过程进行仿真计算,研究了跨介质过程中的流场和空泡演化规律,分析并得到了航行器跨介质过程中的流体动力学特性以及运动特性。仿真结果表明,航行器在入水过程中会随着通气量的变化而呈现出2种不同的姿态变化模式:增角速度拉平模式和周期俯仰式拉平模式,不同模式下航行器的入水拉平过程会呈现不同运动特点;此外,空化器倾角的增加和通气量的降低可以提高航行器在跨介质入水过程中的姿态变化速率。

跨介质飞潜器水面起降过程流场及运动特性研究

为探究跨介质飞潜器水面起降过程流场结构演变及自身运动特性,基于计算流体动力学数值仿真技术,耦合流体体积多相流模型、剪切应力传输k-ω湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型以及Stokes 5阶非线性波理论,构建了飞潜器水面起降的数值计算方法。分别对静水环境下飞潜器水面起飞过程、有/无波浪环境下飞潜器水面降落过程进行数值仿真,分析了各过程飞潜器动力学响应、载荷变化情况以及自由液面流场演化过程。结果表明:在整个静水环境下水面起飞过程中飞潜器均能保持稳定的姿态,其周围流场结构及自由液面演化均具有强对称性;在水面降落过程中,飞潜器及导管底部受到较大的反向砰击力,导致飞潜器姿态出现一定程度的振荡,在经过多次衰减波动后能够快速恢复平稳状态;而波浪的存在会加大触水时刻飞潜器所受到的砰击载荷,加剧飞潜器姿态的振荡,延后姿态最终恢复平稳时间。

基于高斯过程回归的潜射声自导鱼雷发现概率研究

明确潜射声自导鱼雷的发现概率,对相关战术制定具有显著作用。传统解析算法和统计算法无法平衡概率评估的快速性和精确性,针对此问题,文中提出了一种基于高斯过程回归的发现概率评估模型,以及基于解析模型的训练数据集生成方法,并在特定态势下开展了发现概率评估的数值仿真。结果显示,文中所提方法具有很好的评估效果,可为相关战场决策提供理论支撑。

跨介质航行器水下弹道特性分析

为了研究跨介质航行器的水下弹道及相关动力学特性,以某跨介质航行器为研究对象,基于动量定理和动量矩定理建立动力学方程,并对不同速度和空化器倾斜角下的动力学特性进行分析。结果表明:增加初始速度会使航行器水平航行距离和航行深度略微减少,速度下降变快;增加空化器倾斜角亦会导致航行器水平航行距离和航行深度略微减少;减小初始角度对航行器水平航行距离与结束计算时的角度有较大影响,但几乎不影响加速度与受力特性。

跨介质航行器高速入水降载方法研究综述

跨介质航行器高速入水过程涉及多相流场与物体间复杂的流固耦合作用,航行器面临瞬态冲击载荷极易发生结构损坏。文中综述了目前国内外跨介质航行器高速入水载荷特性和降载方法的研究进展,总结了常见降载方法并分析其优劣,提出了未来跨介质航行器高速入水降载研究的重点发展方向。

不同航行条件下超空泡航行器出水过程数值计算

航行器出水过程极其复杂,伴随着多相流、空化、相变及湍流不稳定性,其所受作用力呈现强的非定常、非线性。国内外对航行器带空泡出水问题的研究,多为航行器垂直或者倾斜出水,关注点往往为航行器运动轨迹及姿态,对超空泡航行器出水过程研究较少。文中基于STAR-CCM+软件,采用重叠网格技术进行网格划分,使用流体体积(VOF)多相流模型捕捉气液交界面,Schnerr-Sauer模型描述航行器周围的空化过程,建立了航行器出水过程的数值计算模型。对航行器在不同航行条件(初始速度、初始水深、通气量)下的出水过程进行仿真计算,得到了不同工况下的流场和空泡演化规律,分析了超空泡航行器的流体动力特性与运动特性。仿真结果表明,不同初始运动速度的航行器,其水下运动呈现出2种不同的模式。不同水深下,初始空化数不同,在较深的水域航行器周围空泡更容易破裂,加大通气量可有效改善空泡形态。

基于机器视觉的UUV水下沉底目标自主识别

水下无人航行器对目标的自动识别研究是未来水下目标探测领域的发展趋势。针对现阶段水下沉底目标声呐图像探测人工识别工作量大、判别困难等问题,研究了机器视觉中基于Canny算子图像边缘检测结合霍夫线变换去噪的识别方法在水下无人航行器自主探测的应用,为此在湖底布放多个水下沉底模拟目标,尝试了水下无人航行器的目标自主探测方案,通过实际湖上试验对比分析三种水下沉底目标声呐图像的算法识别效果,验证了论文所研究方法的有效性,为后续无人平台自主识别算法研究提供参考,以期提高无人航行器对水下沉底目标的自主探测识别能力。

基于全非线性边界元法的楔形体入水冲击载荷特性研究

在兵器入水、飞行器迫降水面等结构物入水冲击问题属于强非线性流固耦合问题,计算时网格的划分重构、数值稳定与传递,以及射流根部的数值准确求解,通常制约着计算模拟的成败。本文中建立了一套满足全非线性边界条件的冲击载荷理论预报方法,通过引入拓展坐标系,有效解决了非线性自由液面上网格重构和数值传递的问题;通过引入辅助函数解耦了时域下的运动方程,准确求解了每个时间步下楔形体的速度、加速度和冲击压力,以二维楔形体为研究对象,通过开展落体试验验证了本理论方法的有效性。研究结果表明:流体重力对冲击压力具有显著影响,45°底升角楔形体的入水冲击压力主要分布在1.6倍入水深度的半宽区域内,压力峰值和次峰值一般发生在楔形体的尖端和射流根部;楔形体的冲击压力对较小底升角极为敏感,定量描述了二者之间的非线性关系;壁面效应与入水初速度无显著相关性,但底升角越小壁面效应越显著,45°底升角楔形体入水深度小于水域深度的1/3时,壁面效应尤其明显。研究结果为冲击载荷的理论研究和工程应用提供了参考。

一种基于目标声信息改进概率图的多UUV协同搜索方法

针对未知环境中多无人水下航行器(UUV)协同目标搜索问题,提出一种基于目标声信息改进概率图的多UUV协同搜索方法。建立了包含目标声场信息、UUV占用信息、目标存在概率及环境确定度的改进概率图,使UUV对动态搜索环境及目标信息的感知更加准确、全面;提出了一种基于学习机制和自适应参数调节机制的改进粒子群优化(PSO)算法,将基于线性种群规模减小和广泛学习机制的自适应差分进化算法的突变策略引入PSO算法,通过生成自适应调整参数的突变粒子,增加粒子多样性,在多UUV目标搜索应用中,减少了局部最优,提高搜索效率;设计开发了仿真程序,应用蒙特卡洛仿真方法验证分析了多UUV搜索效能。仿真结果表明,所提出的多UUV协同搜索方法与基于传统概率图的PSO搜索算法相比,同样条件下找到目标所花费的时间更少、找到的目标数量更多,对动态目标搜索具有较明显的优势。

基于时差加权的鱼雷内外测弹道融合处理方法

鱼雷海上试验结果评定时,鱼雷过目标情况及非触发引信动作功能等的评定需要高精度、高采样频率的鱼雷弹道数据,但单纯依靠鱼雷内、外测弹道数据难以满足评定要求,同时尚无适用的弹道融合方法。针对此,文中提出一种基于时差加权法的鱼雷内、外测弹道数据融合处理方法,结合了鱼雷内、外测弹道的优点,融合得到的鱼雷弹道具有高精度且高采样频率的优点,完全满足鱼雷过目标情况、非触发引信动作功能等评定的弹道要求,在鱼雷试验领域具有实用价值。

横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析

为研究横流对水下高速射弹超空泡形态的演化规律及弹道特性的影响,基于VOF多相流模型,采用RNG k-ε湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型和刚体六自由度模型,结合重叠网格技术对横流环境中高速运动的水下射弹进行了三维数值模拟。分析了3 m/s, 6 m/s和9 m/s三个不同横流速度下,射弹超空泡的演化过程、射弹表面压力分布、周围流场速度分布以及射弹的水动力特性。研究结果表明:受横流影响,射弹表面超空泡不再对称;随着时间推移,射弹的超空泡形状非对称性增加,背流侧空泡半径增大,迎流侧减小;在一定条件时,弹体迎流测的尾部会出现沾湿现象;射弹初始速度相同时,横流速度越大,头部压力的最大值越大,并且压力极值位置越靠近迎流侧头部一端;不同横流速度下,弹体运动方向的速度衰减趋势基本一致,而横流方向的偏移速度随横流速度的增大而增大。