量化和噪声约束条件下多Lagrange航行体编队的分布式跟踪控制

对量化和噪声约束条件下多Lagrange航行体编队的跟踪控制进行了研究,提出了一种右边不连续的非线性控制算法。同时,利用微分包含理论、图论以及矩阵理论,对控制器的稳定性进行了验证。研究结果表明:多Lagrange航行体编队可以在量化和噪声影响的有向通信图下,达到有误差界的跟踪。最后,运用三自由度的无人水下航行器进行数值仿真,证明了该控制算法的有效性。

多Lagrange航行体在量化及通信时延约束下的集结

针对量化和通信时延约束下多Lagrange航行体的集结问题进行了研究,提出了一种与模型相关的右边不连续控制算法,设计了一个均匀量化器,并运用图论、矩阵理论以及实用稳定性理论,验证控制器的稳定性。研究结果表明:多航行体可以在量化和通信时延影响的无向通信图下,实现有误差界的集结。基于MATLAB软件进行的数值仿真实验,证明了算法的有效性。

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Ｌａｇｒａｎｇｅ方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一，其方程的形式为常微分方程组或微分一代数方程组，数值计算与数值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法．本文简要介绍了多体系统动力学方程的第一、二类Ｌａｇｒａｎｇｅ方程和修正的Ｌａｇｌａｎｇｅ方程的基本形式及这些方程的正则形式，着重介绍了正则方程在数值计算中的特点，就多体系统Ｌａｇｒａｎｇｅ方程的隐式算法、辛算法和多体系统动力学特性的数值分析方法（包括数值仿真、Ｐｏｉｎｃａｘ６映射和ＬｙａＰｕｎｏｖ指数的计算方法）的研究现状进行了综述．

用第一类Lagrange方程求解平面多体系统约束力的方法

利用第一类Lagrange方程建立多体系统的动力学方程时,系统的约束力是与Lagrange乘子有关的函数。该文采用笛卡儿坐标和建立约束方程的局部方法,给出了一种求解多体系统约束力的方法。该方法可使固定支承面的法向约束力及铰链约束力在惯性坐标轴上的投影与Lagrange乘子一一对应,从而便于系统约束力的分析和求解,最后用算例验证了该方法的正确性。

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。

水下航行体极限大机动流动分离大涡模拟研究

针对大机动极限工况下水下航行体流动分离带来的机动性不足问题,本文以Suboff标模为研究对象,采用大涡模拟数值计算方法开展大机动工况下水下航行体的流体动力性能评估,并完成水下航行体尾部及舵面流动分离涡旋结构的精细捕捉。本文研究成果可为后续极限机动工况下水下航行体流动控制提供技术支撑。

多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法

针对多体系统的非线性受约束动态优化设计通用模型,基于连续可微目标函数和一阶、二阶灵敏度分析给出多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法。其中基于多体系统动力学方程的一阶设计灵敏度采用伴随变量方法进行计算,二阶设计灵敏度使用混合方法进行计算,在设计变量较多时具有较高的计算效率。最后对曲柄-滑块系统数值算例使用增广Lagrange乘子方法进行约束优化,通过对使用不同方法进行一阶灵敏度分析和二阶灵敏度分析所得的最优值、迭代次数及运行时间的比较,得出一阶灵敏度分析中使用变尺度方法效率较高,而使用二阶灵敏度分析可以进一步提高优化效率。

航行体水下发射过程气幕降载特性

水下发射过程中在筒口附近形成气幕通道,可有效降低航行体出筒过程中表面高频脉动载荷.基于流体体积(VOF)均质多相流理论、标准的RNG k-ε湍流模型及重叠网格技术,研究筒口气幕对航行体表面脉动载荷的影响规律,分析气幕环境下的流场结构及流体动力演变特性,对比不同横流强度、燃气质量流率下气幕流场结构演变和出筒降载效果.结果表明,航行体出筒过程中,喷嘴喷出的高速燃气近似覆盖了航行体表面,并逐渐在发射筒口周围形成一个气体通道,显著降低了航形体表面载荷;有气幕条件下,航行体所受力矩与表面载荷均出现明显降低,其中所受力矩峰值降低了80.3%,航行体表面压力峰值最大降低了81.2%;提高横流速度,航行体表面压力峰值最大增加了56.7%;在质量流率由2 kg/s提高到16 kg/s时,航行体所受力矩降低了80.8%,表面压力峰值最大降低了82.8%.

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先,从多体动力学出发,以某盒式倾转旋翼无人机为算例,将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次,通过不同刚体质心间的位移约束,建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵,以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后,分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致,验证了所提建模方法的合理性;在倾转旋翼转速不变的情况下,倾转过程所用时间越长,无人机掉高越少,轨迹越光滑,但输入能量越多,具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。

通气条件下带栅格翼水下航行体数值仿真研究

栅格翼可通过自身受到的流体力改善水下航行体姿态,通气技术可以通过改善水下航行体表面流体载荷稳定其姿态,将通气技术应用于带栅格翼航行体有望大幅提高航行体水下垂直运动的稳定性.文中采用重叠网格技术和六自由度求解器对水下航行体运动和流场演化进行了数值模拟,通过与实验结果对比验证了所采用数值计算方法的准确性,分别探究了航行体安装栅格翼和通气以及不同通气率对带栅格翼水下航行体运动稳定性的影响.结果表明:通气和安装栅格翼可以降低航行体水下运动时的偏转角,有利于提高其运动稳定性,其中栅格翼的作用更明显.带栅格翼航行体随着通气率的增加,偏转角减小,当通气空泡长度发展到航行体质心位置以下时,产生与偏转角方向相反的回正力矩,当通气空泡将栅格翼包裹,栅格翼对航行体稳定作用失效,这对通气条件下水下航行体加装栅格翼具有重要的指导意义.

空泡演化对航行体高速入水运动特性的影响研究

为了研究空泡演化与航行体运动特性之间的联系,并进一步探讨入水速度和入水角度对航行体运动特性的影响,文中基于STAR-CCM+,耦合SSTk-ω湍流模型、VOF界面捕捉方法和重叠网格技术,对航行体高速入水过程中空泡从生成到溃灭的整个发展演化过程进行了数值计算研究.结果表明,航行体高速入水过程中空泡的发展演化可以分为3个阶段:空泡稳定发展阶段、空泡断裂溃灭阶段、空泡脱落再生阶段.垂直入水条件下,提高入水速度能够延迟二次射流对航行体扰动时间,增强航行体维持初始入水弹道的能力;斜入水条件下,增大入水角度能够减缓航行体在入水前期的姿态变化,但会降低其在入水后期维持初始入水弹道的能力.

尾翼控制小型超空泡航行体运动稳定性分析

为探究可偏转尾翼对小型超空泡航行体运动状态的影响,建立了具备尾翼控制功能的小型超空泡航行体非线性动力学模型,对航行体动力学系统进行仿真计算,根据Lyapunov指数谱和相轨图对系统稳定性进行判定,运用非线性动力学方法,对不同尾翼反馈增益下的稳定系统、周期振荡系统以及混沌系统进行分析,得到了速度衰减情况下无动力小型超空泡航行体保持稳定运动的反馈增益参数区间,结果表明,无动力小型超空泡航行体可以通过调整尾翼的反馈增益参数进行姿态控制并实现稳定运动。

计及筒盖与筒口气团的航行体出筒流场演化分析

筒口结构及流场环境是影响航行体出筒过程多相流场与载荷特性的重要因素,文章数值研究了计及筒内高温高压气体作用的航行体出筒过程,分析了不同初始条件、边界条件对航行体头部、尾部气团演化过程及筒内“水体倒灌”效应的影响及航行体、筒盖的载荷特性.结果表明:横向牵连速度条件下,航行体头部出筒伴随筒口气团的偏移、破碎、分离和汇集过程;尾出筒时高温高压气团与周围附体气团融合,并经膨胀、颈缩后产生回射流现象;随着尾空泡形成,筒口截面处气团发生二次拉断、射流偏移现象,筒内“水体倒灌”呈“螺旋”倒灌方式.横向牵连速度主导着筒口绕流流场特征,其降低50%时筒盖载荷峰值降低了58.27%;筒口气团初体积直接影响出筒航行体附体气团体积,筒口气团初始高度增加50%时筒盖载荷峰值降低了17.64%;筒盖形状决定着其绕流流场载荷特性,相比之下筒盖弯曲系数较小时,筒盖载荷峰值降低31.48%;而筒盖开盖角度是诱导气团二次拉断射流偏移的主要原因,开盖角度由60°降低到30°时,筒盖最大受载峰值降低72.03%.

X舵与十字舵水下航行体水动力系数的对比

为了满足工程上水下航行体X舵水动力构型快速设计需求,需掌握X舵的操纵水动力特性,并建立适用于X舵水下航行体的水动力系数预报方法。本文采用数值模拟的方法,对比研究十字舵和X舵水下航行体的水动力系数和压力分布特性。结果表明,设计参数相同的情况下,有围壳、无围壳2种模型下X舵的动稳定性系数均低于十字舵,围壳对上方向舵和X舵的压力分布影响均在舵板前缘区域,约为舵板弦长的20%,且围壳对十字舵水动力系数和压力分布的影响均大于X舵。在此基础上,通过不同展长方案下十字舵和X舵水下航行体的线性水动力系数数值研究,得到X舵与十字舵水下航行体水动力系数之间的比例系数,从而提出基于十字舵水动力系数和X舵与十字舵水动力系数的比例特性实现X舵水动力系数快速预报的工程方法。

船只/桥梁多柔体系统碰撞问题求解的Lagrange方程

通过对船只 /桥梁多柔体系统碰撞问题进行具体分析并作适当简化和离散化 ,形成集中质量 -弹簧体系模型 ,针对模型按广义坐标建立拉格朗日微分方程组 ,简述了该方程组的解法 。

超空泡航行体的可视化控制仿真实验设计

为解决在水下航行体控制教学中存在的学生对控制结论的理论仿真曲线和实际控制效果难以充分联系的问题,对一种超空泡航行体模型的可视化控制仿真实验的设计进行了研究。实验首先建立了超空泡航行体的三维可视化模型,然后将模型带入具有PID控制算法的Simulink仿真环境中进行可视化仿真,最后对可视化仿真界面和传统仿真曲线中的超空泡航行体的状态参数变化进行对比。实验结果表明,超空泡航行体状态参数的变化符合控制要求,且在可视化界面和传统仿真中具有一致性。学生在实验中能够直接观察控制效果,有利于培养学生掌握控制系统计算机辅助设计的能力,并建立独立思维及创新意识。

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。

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明:在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。

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.