An Efficient Optimization Design Framework for Low-Resistance Shape of Bionic Amphibious Robot

To realize the low-resistance shape optimization design of amphibious robots,an efficient optimization design framework is proposed to improve the geometric deformation flexibility and optimization efficiency.In the proposed framework,the free-form deformation parametric model of the flat slender body is established and an analytical calculation method for the height constraints is derived.CFD method is introduced to carry out the high-precision resistance calculation and a constrained Kriging-based optimization method is built to improve the optimization efficiency by circularly infilling the new sample points which satisfying the constraints.Finally,the shape of an amphibious robot example is optimized to get the low-resistance shape and the results demonstrate that the presented optimization design framework has the advantages of simplicity,flexibility and high efficiency.

Optimization of Center of Gravity Position and Anti-Wave Plate Angle of Amphibious Unmanned Vehicle Based on Orthogonal Experimental Method

When the amphibious vehicle navigates in water,the angle of the anti-wave plate and the position of the center of gravity greatly influence the navigation characteristics.In the relevant research on reducing the navigation resistance of amphibious vehicles by adjusting the angle of the anti-wave plate,there is a lack of scientific selection of parameters and reasonable research of simulation results by using mathematical methods,and the influence of the center of gravity position on navigation characteristics is not considered at the same time.To study the influence of the combinations of the angle of the anti-wave plate and the position of the center of gravity on the resistance reduction characteristics,a numerical calculation model of the amphibious unmanned vehicle was established by using the theory of computational fluid dynamics,and the experimental data verified the correctness of the numerical model.Based on this numerical model,the navigation characteristics of the amphibious unmanned vehicle were studied when the center of gravity was located at different positions,and the orthogonal experimental design method was used to optimize the parameters of the angle of the anti-wave plate and the position of the center of gravity.The results show that through the parameter optimization analysis based on the orthogonal experimental method,the combination of the optimal angle of the anti-wave plate and the position of the center of gravity is obtained.And the numerical simulation result of resistance is consistent with the predicted optimal solution.Compared with the maximum navigational resistance,the parameter optimization reduces the navigational resistance of the amphibious unmanned vehicle by 24%.

Investigation on nonlinear rolling dynamics of amphibious vehicle under wind and wave load

Nonlinear amphibious vehicle rolling under regular waves and wind load is analyzed by a single degree of freedom system.Considering nonlinear damping and restoring moments,a nonlinear rolling dynamical equation of amphibious vehicle is established.The Hamiltonian function of the nonlinear rolling dynamical equation of amphibious vehicle indicate when subjected to joint action of periodic wave excitation and crosswind,the nonlinear rolling system degenerates into being asymmetric.The threshold value of excited moment of wave and wind is analyzed by the Melnikov method.Finally,the nonlinear rolling motion response and phase portrait were simulated by four order Runge-Kutta method at different excited moment parameters.

Preparation and Conducting Behavior of Amphibious Organic/Inorganic Hybrid Proton Exchange Membranes Based on Benzyltetrazole

A series of novel amphibious organic/inorganic hybrid proton exchange membranes with H3PO4 doped which could be used under both wet and dry conditions was prepared through a sol-gel process based on acrylated triethoxysilane（A-TES） and benzyltetrazole-modified triethoxysilane（BT-TES）.The dual-curing approach including UV-curing and thermal curing was used to obtain the crosslinked membranes.Polyethylene glycol（400） diacrylate（PEGDA） was used as an oligomer to form the polymeric matrix.The molecular structures of precursors were characterized by 1 H,13 C and 29 Si NMR spectra.The thermogravimetric analysis（TGA） results show that the membranes exhibit acceptable thermal stability for their application at above 200 oC.The differential scanning calorimeter（DSC） determination indicates that the crosslinked membranes with the mass ratios of below 1.6 of BT-TES to A-TES and the same mass of H3PO4 doped as that of A-TES possess the-T g s,and the lowest T g（-28.9 ℃） exists for the membrane with double mass of H3PO4 doped as well.The high proton conductivity in a range of 9.4―17.3 mS/cm with the corresponding water uptake of 19.1%―32.8% of the membranes was detected at 90 oC under wet conditions.Meanwhile,the proton conductivity in a dry environment for the membrane with a mass ratio of 2.4 of BT-TES to A-TES and double H3PO4 loading increases from 4.89×10-2 mS/cm at 30 ℃ to 25.7 mS/cm at 140 ℃.The excellent proton transport ability under both hydrous and anhydrous conditions demonstrates a potential application in the polymer electrolyte membrane fuel cells.

Hydrodynamics Research on Amphibious Vehicle Systems:Modeling Theory

For completing the hydrodynamics software development and the engineering application research on the amphibious vehicle systems, hydrodynamic modeling theory of the amphibious vehicle systems is elaborated, which includes to build up the dynamic system model of amphibious vehicle motion on water, gun tracking-aiming-firing, bullet hit and armored check-target, gunner operating control, and the simulation computed model of time domain for random sea wave.

基于近端策略优化的两栖无人平台路径规划算法研究

为解决水陆两栖无人平台在复杂环境中的路径规划问题,针对传统方法难以应对动态障碍物和多变环境的局限性,提出了一种基于近端策略优化(PPO)的路径规划算法,包含四种感知信息输入方案以及速度强化奖励函数,适应动态和静态环境.该算法通过批次函数正则化、策略熵引入和自适应裁剪因子,显著提升了算法的收敛速度和稳定性.研究中采用了ROS仿真平台,结合Flatland物理引擎和PedSim插件,模拟了包含动态障碍物的多种复杂场景.实验结果表明,采用BEV+V状态空间输入结构和离散动作空间的两栖无人平台,在路径规划中展现出高成功率和低超时率,优于传统方法和其他方案.仿真和对比实验显示采用鸟瞰图与速度组合的状态空间数据结构配合速度强化奖励函数算法提高了性能,收敛速度提高25.58%,路径规划成功率提升25.54%,超时率下降13.73%.

水陆两栖飞机设计中的结构优化与材料选择研究

水陆两栖飞机的设计是一项复杂的工程挑战,涉及机身、机翼、机尾和着水装置的结构优化,以及材料选择和轻量化设计。机身设计需考虑整体结构布局、水上起降能力和结构强度与重量的平衡。机翼设计关注形状、气动性能和水上操作性能。机尾设计则侧重于尾翼布局和稳定性。着水设计包括着水装置和冲击力吸收。材料选择方面,需考虑结构材料、防腐性能、轻量化设计以及成本与可靠性。这些设计要素共同确保了水陆两栖飞机的高效性能和安全性。

应用于水陆两栖勘测及紧急救援的仿生机械龟

针对现有水下航行器能耗高、噪声大、续航能力一般等问题,通过探索水下仿生扑翼的推进机理,结合流体力学运动的知识,利用SolidWorks仿造龟的外形设计了仿生机械龟。该机械龟装载浮力与重力感应系统,通过PID算法控制机器在水中的平衡,使用Arduino作为主控制板,利用传感器、摄像系统与数据传输系统,进行实时监测并传输数据,龟壳中设计了贮藏空间,满足勘测和物资救援任务。实验结果表明,所设计的水陆两栖仿生机械龟优化了形态和运行控制系统,对比美国耶鲁大学研制出的仿乌龟形水陆两栖机器人ART,能够适应多样化地形高效的运动,具有高灵活性和机动性,能完成对水中温度、压强、地形进行实时监测并将数据传输回终端。

基于不同海况的某两栖火炮横摇仿真研究

对于两栖火炮来说,作战时能够实现水上快速浮渡,基于不同的海况条件可实现安全可靠的水上射击,是登陆作战能否成功的一项关键因素。为了掌握不同海况条件下两栖火炮发射安全性与稳定性,建立了两栖火炮水上发射动力学模型,获取了两栖火炮水上射击横摇角位移,结合两栖火炮水上射击横摇角测试,验证了动力学模型的计算精度。基于皮尔逊和莫斯克维奇海浪谱海面模型,建立了1~4级海况条件下两栖火炮横摇仿真模型,获取了两栖火炮不同海况条件下的横摇最大幅值及横摇周期,结合耐波性分析,为两栖火炮不同海况条件下的发射安全性进行了评估。

轮式高速两栖车辆水上航行阻力成分占比分析

对某轮式高速两栖车辆水上航行工况全航速范围的阻力成分占比开展分析,为其水动力构型的优化设计提供方向性指导。采用CFD软件FINETM/Marine开展带自由面的模型阻力数值计算,通过与模型试验结果对比验证了数值计算方法。通过叠模数值计算确定了对应各航速的水粘压阻力,其中针对高速时的“干方尾”现象,提出以动态吃水平面切割尾波谷自由面形成尾部导流体的叠模计算几何模型构建方法。结合带自由面阻力计算得到的空气阻力和其他水阻力成分,分析了不同阻力成分的占比及其随航速变化的规律。结果表明,该轮式两栖车全速度范围内的水阻力在总阻力中的占比都高于90%;排水航行阶段,水粘压阻力占比最高,约为45%~70%;过渡航行阶段,兴波和飞溅阻力占比最高,约为45%~70%;滑行阶段,水摩擦阻力占比随航速增大迅速提高,设计航速时在总阻力中占比约为36%。

水陆两栖车辆水上运动特性实时仿真系统研究

为解决水陆两栖车辆水动力性能参数获取难度大、运动姿态预测慢等问题,设计一种两栖车辆水上运动特性实时仿真系统,实现仿真模型的驱动、运动姿态预测以及数据的监测和输出,通过动态流体-物体相互作用数值计算方法对车体动力学系数进行修正,提升了实时仿真系统的精度。在此基础上研制试验样车,对不同工况下实时仿真系统的准确性进行验证。试验结果表明:所构建的两栖车辆水上运动特性实时仿真系统兼具计算精度和计算效率,可以快速准确地预测车辆的运动姿态,适用于多种复杂工况,具有姿态预测的泛用性。新系统在两栖车辆研制阶段、驾驶员培训、半实物仿真演练、复杂环境模拟等方面具有较强的应用价值和应用前景。

基于计算流体动力学方法的两栖飞机规则波中运动特性研究

针对水陆两栖飞机加速起飞运动过程受波浪干扰问题,本文基于Star-CCM+平台数值模拟技术,引入SST k-ε湍流模型求解RANS方程,VOF方法捕捉自由液面,DFBI模块以及重叠网格技术模拟水上飞机六自由度运动,建立了一套波浪中水陆两栖飞机加速滑行起飞运动特性研究方案。以波长和波高为变量,探讨了加速滑行过程中上述变量对水上飞机升沉、纵摇运动响应以及机身重心处垂向加速度的影响规律。结果表明:随着波长增加,飞机升沉运动先增加后缓慢变化,飞机重心垂向加速度、纵摇角加速度和纵摇峰值集中在波长为2~3倍机身长度海况范围内;随着波高增大,飞机升沉、纵摇运动及重心垂向加速度最大值随之增大,且长波中的运动变化量较短波中更大;机翼气动升力数值模拟结果与计算值一致,该方案可用于水陆两栖飞机气动力相关计算。

两栖攻击舰编队海上航渡对潜防御队形优化配置研究

针对两栖攻击舰编队对潜防御时的队形配置问题,从潜艇对编队的威胁分析入手,建立了潜艇鱼雷极限射距圆模型,通过模型分析与仿真计算,得出了两栖攻击舰应配置在威胁圆圆心稍后位置的结论,并给出了优化位置计算模型;结合潜艇威胁范围与威胁距离模型及警戒舰艇对潜防御范围模型,给出了护航兵力优化配置方法,为两栖攻击舰编队海上航渡时的对潜防御提供了参考。

喷水推进两栖车辆水面航行特性试验与数值计算研究

兼具陆上机动、水面航行及水陆交界地带作业能力的特种水陆两栖车辆,是未来多域协同系统中重要组成部分。以喷水推进两栖车辆为研究对象,基于船模拖曳水池试验,获得了弱约束条件下喷水推进两栖车辆的航行特性,建立了喷水推进器与两栖车辆一体化操控的数值计算方法,对喷水推进两栖车辆水动力性能展开研究并充分验证了数值计算方法的准确性,对比分析了两栖车辆设计航速下拖曳与约束自航条件下的航行特性。相比于常规的“船-泵”一体化研究,从两栖车的角度丰富了喷水推进器和水面航行体相互影响的研究。结果表明,约束自航条件下车体阻力相比无喷水推进条件下阻力增加17.6%,喷水推进器运行导致的车辆姿态变化是造成增阻的主要因素。约束自航条件与拖曳条件相比,虚长度延伸长度从-0.864 X/L(X为距车辆重心长度,L为两栖车总长)增加至-1.513 X/L。与此同时,鸡尾流波高高度与发散波面积显著增加,从0.037 H/L(H为波面高度)增加至0.061 H/L,增加了尾流场附近能量损失。

两栖植物香附子的解剖结构和组织化学研究

以分布在三峡水库消落区和江汉平原河漫滩香附子营养器官为试验材料,采用解剖镜下切片法、组织化学研究方法、光学和荧光显微镜下观察拍照记录试验结果,研究其叶、直立茎、根状茎、块茎和不定根适应两栖环境的解剖结构与组织化学特征。结果表明:1)香附子具有适应两栖环境的气腔和质外体屏障等典型结构特征,其中气腔包含根、根状茎及叶的溶生性通气组织和茎的裂生性通气组织;质外体屏障包括内皮层、外皮层、栓质化中柱和维管束鞘细胞等。2)香附子的不定根和茎具有栓质化中柱和维管束;叶片和茎的花环结构由内侧维管束鞘、中间维管束鞘和薄壁细胞维管束鞘3层组成。3)香附子的质外体屏障可能有助于香附子在淹没缺氧下保持氧气流通,同时控制水、离子与环境交换,气腔有利于保存和输送有氧呼吸所必需的氧气。香附子适应淹没-陆生两栖转换环境的结构特征表明其是长江流域生态恢复的重要植物资源。

不同结构炮口制退器对某两栖火炮底盘影响分析

为研究不同结构炮口制退器对两栖火炮炮口流场影响,采用CFD技术,结合动网格技术对弹丸进行处理,采用三维非定常可压缩流动的Euler方程和Realizable k-ε湍流方程对炮口流场进行数值模拟。通过数值仿真得到了炮口流场对车体不同部位的超压分布规律,结果表明,在冲击式炮口制退器下舱盖前端面上棱位置横向压力,与舱盖前端面下棱横向压力均比反冲击式的压力高。在炮口下方位置车体上表面横向位置,t=1.0 ms左右,在冲击式炮口制退器下的超压值比反冲击式高约为0.8 MPa。研究结果对两栖火炮炮口底盘相关设计、制退器结构选择提供了数据依据。

两栖车辆发动机增压匹配及控制策略研究

针对两栖车辆在水陆工况下的功率需求,开展车辆在两种工况下的动力系统增压匹配及控制策略研究。建立了车用发动机在两种工况条件下的一维仿真模型,对增压器、放气阀等关键部件进行了标定,并对整机仿真模型进行了实验验证。以此模型为基础完成了两种工况条件下的增压系统匹配,研究两栖工况下的增压发动机输出特性,制定两种工况下的废气旁通阀开度控制策略。结果表明,计算匹配的增压器和控制策略满足两栖车辆在不同工况下的功率需求。

水陆无人两栖车环境感知技术综述

水陆两栖车无人化对无人作战体系的发展与完备具有重要的战略意义,环境感知技术是两栖车无人化的关键技术之一.文中综述了两栖车传感器的应用方案以及两栖车感知技术的分类特点,并且针对两栖车水上感知及水陆过渡区域分析了环境感知的关键技术,最后展望了水陆无人两栖车环境感知技术的发展方向.

基于模糊PID的球形两栖机器人的设计及控制

为了解决移动机器人对工作环境要求严格的问题,设计了一种适用于多变、狭窄环境的轻小型球形陆空两栖机器人,具有地面滚动和空中飞行两种运动模式,可以自主完成运动模式的切换。首先,设计了机器人的结构,包括滚动部分、飞行部分和模式切换部分。基于拉格朗日方法,建立了不同运动模式下的动力学模型,建立了基于欧拉方程的运动学模型。最后,根据机器人的运动模型,设计了飞行模式和地面滚动模式下的姿态控制器,并对控制器进行了仿真对比实验。在实机上进行了测试,实验结果表明,该机器人能够实现自主模式切换,在不同运动模式下运动稳定、姿态可控,在纯地面模式下具有一定的越障能力。在结构、控制方法及控制策略切换方法上对陆空两栖可变形机器人具有一定借鉴作用。

考虑入水冲击过程的舱段结构优化

水陆两栖飞机的舱段结构在入水过程中需要承受入水冲击力的作用,对水陆两栖飞机的结构性能有着重要影响。本文建立了水陆两栖飞机的初始舱段结构模型,基于该结构通过数值仿真方法获取了结构入水过程中的压强分布。建立了舱段结构的有限元模型并开展了参数分析,探究了不同设计参数对舱段结构的影响。在此基础上,考虑舱段入水过程中的结构变形与应力分布,搭建了舱段结构优化设计框架;以舱段结构的应力和应变作为约束、减少质量为目标开展优化设计;根据优化后得到的舱段结构,进一步验证了单向耦合分析方法的准确性。优化结果表明,舱段结构的底面加强筋分布以及底面蒙皮厚度对入水过程中结构产生的最大米塞斯应力有着重要影响。通过对舱段结构的设计参数开展优化设计,可以在满足强度与刚度的前提下,显著降低舱段结构的质量。