超空泡航行体尾拍振动分析及减振结构设计

摘要

超空泡是一种新型的、能够使航行体实现高速航行技术。超空泡减阻技术凭借其优异的减阻特性，能够减小水下航行体的90％以上的阻力，实现了水下航行体减阻技术的革命性的突破。超空泡在包裹航行体的过程中，航行体在流体介质中的沾湿面积也在逐渐减小，使得流体介质作用在航行体的粘滞阻力降低，因此空泡的存在大大提高了航行体的动力性能，但是当超空泡航行体的航速达到300m/s到1000m/s这个范围内，航行体在初始扰动等因素的影响下，航行体尾部会发生不断与空泡壁冲击、反弹的现象，这个现象已被实验观察到，称之为尾拍现象。超空泡高速航行体因为飞行环境的特殊，使得航行体尾拍的动力学特性也很特别，具有极高的研究价值。
　　本文采用MATLAB及LS-DYNA等计算分析软件对超空泡射弹的自身动力学和振动学特性进行了数值模拟和有限元仿真，提出了改善航行体尾拍冲击影响的方法，并进行了比较仿真计算。通过数值模拟的方法，对高速超空泡射弹的尾拍特性和减振结构设计、运动稳定性等问题进行了研究，具体内容如下：
　　第一部分：了解目前国内外在水下超空泡高速射弹的理论研究、数值模拟研究和试验研究方面的情况，总结水下射弹在动力学分析方面被广泛采用的物理模型以及被广泛应用的动力学微分方程的求解方法。通过对弹性梁应用冯·卡门大挠度理论和哈密顿变分原理，建立耦合作大范围刚体转动与弹性振动的运动系统的动力学控制方程，得到射弹的振动频率和模态振型的解析表达，然后对其进行数值计算分析。
　　第二部分：分析说明了小比例射弹动力学微分方程在针对大尺寸射弹动力学分析时不适合的原因，针对本文中使用的大尺寸射弹所采用的动力学分析方法和数值模拟方法进行分析说明。阐述了目前的超空泡模型，比较了不同的空泡模型的特征和适用范围，比较其优缺点，并针对本论文中的射弹模型采用合适的空泡模型进行了数值模拟，通过对尾拍力的变化规律的分析为水下高速超空泡射弹避免尾拍现象提供了理论依据和技术支撑。
　　第三部分：根据某型号超空泡射弹，建立了射弹 CAE模型，并对该模型进行了数值模拟和仿真分析。分析了原结构与带减振装置的结构在相同工况下的射弹尾拍动力学响应分析，通过分析射弹刚体位移和同位置节点的加速度，说明减振结构的可行性，为今后减振结构的优化设计提供研究基础。

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第1章 绪论

1.1论文研究的背景、目的及意义

1.2 超空泡技术研究现状

1.3 本文的主要内容

第2章 超空泡高速射弹尾拍振动分析

2.1引言

2.2 超空泡射弹的耦合振动分析

2.3 射弹振动特性的求解

2.4振动特性数值仿真分析

2.5 本章小结

第 3 章 超空泡尾拍飞行动力学分析

3.1 引言

3.2 超空泡射弹尾拍冲击动力学分析

3.3 水下高速射弹尾拍动力学仿真

3.4 本章小结

第4章 超空泡航行体减振结构设计

4.1引言

4.2 航行体尾拍减振结构设计

4.3 航行体尾拍流固耦合仿真分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢