单翼末敏弹动力学及气动布局优化设计

摘要

以翅果模型为基础衍变出的单翼末敏弹为研究对象，主要研究了弹体能够实现稳定扫描的动力学模型，分析了弹体气动特性的变化规律，基于“增大阻力、增加转速”的要求，对翼片结构参数进行优化设计。研究成果为今后单翼末敏弹设计提供参考。
　　(1)在单翼末敏弹动力学理论模型研究中:首先分析了作用在单翼末敏弹上的载荷情况，并依据动量定理和动量矩定理，分别建立了圆柱部弹体和翼片及翼端重物的质心、绕心动力学方程，其次，建立了圆柱部弹体和翼片及翼端重物之间关于速度和角速度的联系方程，从而得到了单翼末敏弹整体的动力学方程组。最后，基于Adams进行了动力学模拟仿真。
　　(2)在单翼末敏弹气动特性数值仿真研究中:利用Fluent数值仿真的方法，研究圆柱部弹体外形、翼片结构参数和攻角对气动特性的影响规律。首先，利用低速流场中的椭球体的算例对数值仿真算法进行准确性验证，再用相同的仿真方法对圆柱部弹体长径比、头部形状、翼片长度、宽度、翼端重物质量和翼片偏置角等弹体结构参数进行仿真计算，研究其变化对气动参数的影响变化规律;最后，分析了不同攻角下整个弹体的气动特性和流场变化。
　　(3)在单翼末敏弹翼片结构优化设计研究中:选取翼片长度、翼片宽度、翼端重物质量和翼片偏置角四个因素，以阻力系数极大值和滚转力矩系数极大值为目标，先采用正交优化方法，得出各因素对结果指标影响的主次顺序;再采用NSGA-Ⅱ遗传算法，建立回归分析计算模型，求得满足指标的Pareto解集。
　　(4)在单翼末敏弹高塔投放试验研究中:介绍高塔试验的环境和设备器材，对三种不同翼片结构参数的单翼末敏弹进行了高塔投放试验;通过对高速摄像照片的判读，得到单翼末敏弹的落速;通过弹载记录仪得出转速，并与数值仿真结果对比。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外末敏弹研究现状

1．3 基于CFD数值仿真研究现状

1．4 正交优化设计与遗传算法研究现状

1．5 论文的主要工作

2 单翼末敏弹动力学特性研究

2．1 坐标系的建立和坐标转换矩阵

2．11 坐标系的建立

2．12 坐标转换矩阵

2．2 作用在弹体上的载荷

2．21 圆柱部弹体受力与力矩分析

2．22 翼片及翼端重物受力与力矩分析

2．3 弹体动力学方程

2．31 圆柱部弹体质心动力学方程

2．32 圆柱部弹体绕心动力学方程

2．33 翼片及翼端重物质心动力学方程

2．34 翼片及翼端重物绕心动力学方程

2．4 两刚体关联方程

2．5 基于ADAMS算例

2．51 ADAMS软件介绍

2．52 ADAMS仿真流程

2．53 仿真结果分析

2．6 本章小结

3 单翼末敏弹气动特性数值仿真研究

3．1 Ansys Fluent软件介绍

3．2 仿真模型准确性验证

3．21 几何模型及网格划分

3．22 控制方程及湍流模型

3．23 求解算法及边界条件

3．24 试融验证对比

3．3 气动力计算坐标系定义

3．4 圆柱部弹体气动外形特性分析

3．41 长径比的影响

3．42 头部形状的影响

3．5 翼片结构对气动参数的影响

3．51 翼片长度的影响

3．52 翼片宽度的影响

3．53 翼端重物质量的影响

3．54 翼片偏置角的影响

3．6 攻角对气动特性的影响

3．61 阻力特性分析

3．62 旋转特性及稳定性分析

3．63 弹体表面压力及流场分析

3．7 本章小结

4 单翼末敏弹气动布局优化设计

4．1 正交优化方法

4．2 正交优化基本原理

4．21 正交试验设计流程

4．22 分析方法简介

4．23 结果分析

4．3 多目标优化遗传算法

4．31 Pareto解集概念

4．32 优化方法设计

4．33 结果分析

4．4 本章小结

5 高塔投放实验

5．1 单翼末敏弹试验模型

5．2 高塔投放试验环境

5．3 单翼末敏弹运动姿态

5．4 试验数据处理及分析

5．41 落速分析

5．42 转速分析

5．5 本章小结

6 结束语

6．1 本文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况