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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Research progress on the water vapor channel within the Yarlung Zsangbo Grand Canyon, China

The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program tasked a research team with the“Investigation of the water vapor channel of the Yarlung Zsangbo Grand Canyon(INVC)”in the southeastern Tibetan Plateau(TP).This paper summarizes the scientific achievements obtained from the data collected by the INVC observation network and highlights the progress in investigating the development of heavy rainfall events associated with water vapor changes.The rain gauge network of the INVC can represent the impacts of the Yarlung Zsangbo Grand Canyon(YGC)topography on precipitation at the hourly scale.The microphysical characteristics of the precipitation in the YGC are different than those in the lowland area.The GPM-IMERG(Integrated MultisatellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement)satellite precipitation data for the YGC region should be calibrated before they are used.The meridional water vapor flux through the YGC is more important than the zonal flux for the precipitation over the southeastern TP.The decreased precipitation around the YGC region is partly due to the decreased meridional water vapor flux passing through the YGC.High-resolution numerical models can benefit precipitation forecasting in this region by using a combination of specific schemes that capture the valley wind and water vapor flux along the valley floor.

基于神经网络算法的水陆两栖无人艇控制系统研究

针对近海登陆两栖作战等不适合士兵冲锋陷阵的高危环境,提出了基于神经网络算法的水陆两栖无人艇控制系统研究,伺服运动控制为控制系统的关键核心之一。鉴于目前传统两栖无人艇运动控制系统PID算法控制精度低、误差大、需人工调节参数等缺陷,提出BP-PID神经网络算法,同时融合GWO算法(灰狼算法),利用其搜索能力优化网络权值和阈值,加快网络收敛,提高控制精度。首先,对水陆两栖无人艇的控制系统进行需求分析,继而完成两栖无人艇伺服运行控制系统数学和控制模型设计、神经网络算法构架等设计,将设计的算法引入两栖无人艇运动控制系统中,并且进行实验验证,得到行驶曲线。结果表明控制系统运行稳定、响应速度快、误差小,行驶轨迹精确等优点。为实现不适合士兵直达近海登陆作战高危未知环境提升作战力,保护士兵安全有很重要现实意义和实用工程价值,为未来武器装备的智能化研究发展提供借鉴。

水陆两栖仿生机器人水下步态生成研究

设计一种拥有弧形腿与桨鳍结合的水陆两栖仿生机器人,提出一种水陆两栖机器人的水下步态映射函数,以期望机器人获得与海龟类似的推进方式。依据海龟的形态结构和运动形态,以Hopf振荡器为基本神经元建立六条腿全耦合式拓扑结构的中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)神经网络。对CPG输出信号以及机器人水下步态映射函数进行分析、优化实现参数的可调性及各步态间转换的平稳性。最后通过仿真与实验验证并生成水下步态生成的转换图,证明了优化后的步态CPG输出信号以及机器人水下步态映射函数的可行性。

基于图搜索的陆空两栖平台3D路径规划算法

为了解决陆空两栖平台路径规划能效与寻径效率问题,提出了一种基于图搜索算法的全局路径规划算法。考虑了空中飞行能耗与地面行驶能耗模型的不同,结合起飞阈值、地面移动成本系数、空中移动成本系数等参数决定模态切换机制,在遇到难以越过的障碍时使用逃脱算法脱困,当允许地面通过时优先采用地面行驶的方式到达目标点以提升寻径效率与能效。为验证该算法,分别建立了针对陆空2种模式下的能耗模型,在现有交通规则约束下完成城市场景和虚拟迷宫测试。结果表明:本算法的搜索效率相较于对照组算法提升了30%以上,有效提升搜寻效率的同时降低了能量消耗。

城乡两栖:返乡青年的生产生活实践及其形成基础——基于中部地区B镇的调研

以县域为基本单元推进城乡融合发展,需要协同推进新型城镇化和乡村振兴战略,兼具城乡特质的“城乡两栖者”无疑成为新型城镇化和乡村振兴的重要人力资源。对中部地区B镇返乡青年的调研发现,他们以城乡两栖的方式展开生产生活实践。在外经商者、毕业学生和宝妈群体都属于农村青年精英,他们的流动轨迹呈现出节点性返乡、发展性返乡特征。既存的城乡结构塑造了他们的流动发生,一方面是乡村内部的土地规模化发展、治理行政化导向和产业链向下延伸吸引他们回嵌乡土,另一方面是县城作为教育资源集中地、婚备竞赛目标地和价值体验获取地吸引他们进城定居。这种城乡两栖的实践是他们在乡村振兴战略下自发的行动,有一家多制的家庭生计模式和城乡一体的社会认同基础。从实践来看,返乡青年推动了城乡之间流动的个体与家庭的产生,有利于解决乡村振兴中村落终结的问题,也是城乡融合总体背景下人的城镇化战略的推进。