水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.

水下超高速航行体双模态控制研究

水下航行体在高速运动时,其全部或大部分表面被空泡包裹。由于水动力和周围环境扰动使航行体尾部与空泡壁相互作用产生滑行力,滑行力的存在使系统具有较强的非线性并导致不稳定的航行状态。针对航行体纵向运动数学模型可以描述为无滑行力的线性模型和存在滑行力的非线性模型,设计了基于状态的切换控制策略并设计了双模态控制器,对于线性模型采用状态反馈控制,对于非线性模型采用基于微分几何的反馈线性化方法。仿真结果表明,基于状态切换的双模态控制器减小了滑行力,对于初始状态扰动具有鲁棒性。

水下超高速航行体非线性鲁棒控制器设计

水下航行体在高速运动时,其表面大部分被空泡包裹.航行体尾部与空泡壁的相互作用力的存在使航行体模型具有较强的非线性.文中将基于反馈线性化的非线性鲁棒控制策略应用于水下超高速航行体纵向运动控制.反馈线性化可以实现航行体动力学模型的非线性解耦,得到系统精确线性化模型.针对线性化模型设计系统鲁棒控制器,解决由于模型不准确、参数摄动等引起的鲁棒性问题,仿真结果表明,所设计的鲁棒控制器是有效的.

基于SUBOFF模型的轻质量小型超高速水下航行体的外形结构参数优化

超高速航行体的外形结构是水介质阻力的主要影响因素。在航行体最大直径50 mm、材料45#钢(密度7.85 g/cm^(3))、质量1.0~1.2 kg的限定条件下,基于SUBOFF模型通过粒子群优化算法获得航行体首部、中间和尾部3部分长度范围均为30~40 mm;采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法分析了结构参数对航行速度和流阻系数的影响,结果表明当中间长度为30 mm、首部长度为35~40 mm、尾部长度为30 mm和40 mm时,航行速度衰减缓慢,流阻系数较小;采用Design-Expert软件对外形结构参数进一步优化,方差分析表明首部、中间和尾部长度3个因素敏感性次序为首部长度>尾部长度>中间长度,通过响应面分析得到最佳外形结构参数组合为首部长度40 mm、中间长度30 mm、尾部长度30 mm,经验证其流阻系数(2.53×10^(4))最小,优化结果合理。轻质量小型航行体首部、中间和尾部3部分长度对流阻系数的影响相互交互,结构优化时应综合考虑各部分长度。研究结果可为轻质量小型水下航行体外形结构优化设计提供参考。

水下超高速航行体空化器流体动力特性数值研究

空化器是实现水下超高速航行体空泡生成及稳定控制的关键部件。论文建立了空化器流场数值计算模型,较为全面地研究圆盘型、球头型和开孔型3种型式空化器的流场特征,评估其升、阻力特性,通过可视化手段分析空化器流场细节,考察球头和开孔结构对空化器的影响。研究结果表明:圆盘型空化器在加装球头和开孔后其迎流面压力系数分布会改变,在凸出的球头处形成局部压力峰,而且在空化器球头处和背流面形成旋涡区,最终使空化器的有效升力减小。研究成果对超高速航行体流体动力性能研究及空化器部件设计具有重要参考价值。

考虑温度场的超高速水下航行体运动特性分析

[目的]旨在研究水的可压缩性和温度场对超高速水下航行体超空泡现象及其运动特性的影响。[方法]首先,基于CFD通用软件Fluent 19.2,采用同时考虑水的压缩性和温度场的数值模型,对跨超声速航行体的自由运动进行计算,并与文献[1]中实验结果进行定性和定量的对比,验证所采用数值方法的有效性;然后,对不同初始速度下的运动特性进行分析,并以航行时间为0.008 s所对应的航程为对比量进行分析;最后,讨论发射深度和环境温度对运动特性的影响。[结果]结果显示,当航速大于2000 m/s时,再增加初始速度不能显著增加有效航程;航程变化在3%以内的不用考虑温度场影响的临界速度区间为1450~1475 m/s;随着发射深度的增加,航行体所受阻力越大,航程逐渐减小,环境温度越高,有效航程也越短。[结论]研究表明,所采用的同时考虑水的压缩性和温度场影响的数值模型可以应用于超高速水下航行体运动分析中,对实践应用具有参考价值。

水下超高速航行体纵向运动的控制方法研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,使其阻力显著降低而达到高速航行的目的。与常规水下航行体相比,水下超高速航行体的受力方式、力矩平衡以及弹道控制方法都有显著的差别。该文对超高速航行体的空化器受力、尾部滑行力等进行了系统的分析,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学模型及控制模型。然后以空化器偏转角、航行体攻角及推力矢量偏转角为控制变量,采用线性二次型调节器方法设计前馈反馈控制器,完成了水下超高速航行体控制方法的仿真分析。仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪控制信号,具有良好的控制品质。为进一步研究水下超高速航行体的控制问题提供了一定的理论参考。