某仿生弹药气动特性分析及飞行过程数值模拟

摘要

仿生弹药是一种受生物启发的小型化自主式弹药，除可以杀伤特定目标外，还可以完成近距离情报、监视以及监察任务。与常规弹药相比，它的优势不在于某个单一装备的毁伤性能，而在于其可以通过常规武器平台携带，远距离、大批量地快速进入战场，进入常规弹药无法进入的房屋、机库、掩体、山洞等目标内，在敌人要害区域机动使用，对目标要害部位、核心人员等实施全方位超近距离精确打击，使敌人防不胜防，完成常规弹药无法完成的作战任务。它可以不采用传统动力或弹道飞行，而是像鸟类、鱼类、昆虫、蛇类一样在复杂的环境中作机动。本文以某仿鸟型的仿生弹药为研究对象，其尺寸中型鸟类相当，采用扑翼的仿生飞行模式，飞行速度较低，属于低雷诺数流动的问题。在此背景下，主要的研究内容如下:
　　a)在对扑翼飞行的机理进行研究的基础上，建立简化的三维刚性扑翼模型，采用FLUENT计算流体力学软件，应用动网格技术，对其非定常流场以及气动特性进行研究，同时考虑了不同的运动参数（翅翼扑动幅值和扑动频率）、来流参数（来流速度和来流攻角）对该仿生弹药升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数的影响;
　　b)考虑翅翼的柔性变形，采用流固耦合方法，将计算流体力学(CFD)技术与计算结构力学(CSD)技术结合起来，在Workbench平台下，采用System Coupling模块，分别对流体域和固体域进行网格划分以及求解器的设置，对仿生弹药进行三维气动力计算及分析。并在其他条件相同的条件下，比较刚性结构与柔性结构对气动特性的影响;
　　c)对该仿生弹药进行六自由度弹道模型建模，气动参数根据上述气动计算结果所得，编写程序求解微分方程组，得到飞行过程中相关参数随时间的变化规律，进而对其动态特性进行分析。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 仿生弹药技术的国内外研究现状

1．2．1 仿生弹药简介

1．2．2 仿生弹药国外发展现状

1．2．3 仿生弹药国内发展现状

1．3 扑翼型仿生弹药的研究进展

1．3．1 扑翼飞行器的国内外研究现状

1．3．2 扑翼飞行器气动特性研究方法

1．4 本文主要工作

2 刚性翅翼结构的某仿生弹药前飞时的气动特性研究

2．1 引言

2．2 扑翼飞行机理的研究

2．2．1 鸟翼的结构

2．2．2 鸟类前飞时的姿态和扑动频率

2．2．3 鸟类产生升力和推力的机理

2．3 刚性扑翼的数学物理模型及数值求解方法

2．3．1 刚性扑翼的数学物理模型

2．3．2 控制方程组

2．3．3 初始条件和边界条件

2．3．4 计算网格的生成以及动网格技术

2．4 计算结果分析

2．4．1 刚性扑翼前飞时的升阻力

2．4．2 刚性扑翼前飞时的绕流流场

2．5 各参数对刚性扑翼气动特性的影响

2．5．1 扑动幅值的影响

2．5．2 扑动频率的影响

2．5．3 来流速度的影响

2．5．4 来流攻角的影响

2．6 本章小结

3 柔性翅翼前飞时的气动特性分析

3．1 引言

3．2 柔性扑翼模型

3．3 流固耦合控制方程

3．3．1 流体控制方程

3．3．2 固体控制方程

3．3．4 流固耦合方程

3．3．5 流固耦合控制与数据传递

3．4 三维柔性扑翼前飞时的流固耦合计算

3．4．1 三维柔性扑翼的运动模型

3．4．2 流周耦合仿真体系的建立

3．4．3 周体区域的设置

3．4．4 流体区域的设置

3．4．5 耦合方式设置

3．5 数值模拟结果与分析

3．5．1 柔性扑翼前飞时产生的升阻力

3．5．2 柔性扑翼前飞时周围的流场

3．6 本章小结

4 某仿生弹药六自由度飞行过程数值仿真

4．1 引言

4．2 某仿生弹药的坐标系表示以及转换

4．2．1 坐标系表示

4．2．2 坐标系之间的转换

4．3 作用在弹体上的力与力矩

4．3．1 作用在弹体上的力

4．3．2 作用在弹体上的力矩

4．4 某仿生弹药运动方程组的建立

4．4．1 动力学方程

4．4．2 运动学方程

4．4．3 几何关系方程

4．5 某仿生弹药飞行过程数值模拟仿真

4．5．1 数值仿真模型

4．5．2 数值计算方法

4．5．3 仿真结果分析

4．6 本章小结

5 结束语

5．1 工作总结

5．2 问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况：

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况

攻读硕士学位期间学术成果获奖情况