散粒体发射药床碰撞挤压过程三维数值模拟研究

发射药床的碰撞、挤压引起药粒破碎是导致膛炸的根本因素。首先用Monte Carlo模拟密实发射药床初始堆积结构,然后引入一种建立在非连续介质基础上,又区别于一般多体动力学方法的离散元法,来模拟密实的发射药床在膛内高压条件下的碰撞、挤压的动力学过程。详细介绍了离散元法计算程序核心——接触寻找算法,以及药粒的三维接触模型和计算参数的确定。首次解决了复杂条件下的单个药粒受力和运动无法描述的问题,为药粒的破碎数值模拟奠定重要基础。     

面源式红外诱饵弹散布云团仿真研究

为了研究MJU-50B面源式红外诱饵弹圆柱形薄片在高速运动下发射的云团散布及运动过程,以薄片多体分离过程流场数值仿真为基础,建立了散布过程中薄片个体的刚体运动模型和220种工况下的气动力数据库,数值模拟了0.8马赫下诱饵弹上千片薄片的云团散布过程。仿真计算与试验数据对比分析表明：刚体运动模型能更好地模拟圆柱形薄片云团的散布过程,并提出新的薄片云团分布的特征形态;同时也验证了MJU-50B圆柱式薄片红外诱饵弹能在0.5 s内快速散开,散布面积大,分布均匀,并且能在3.0 s内保持其基本形态。     

基于嵌套网格的超声速子母弹分离数值分析

为研究超声速下子母弹分离流场和气动特性,采用嵌套网格技术和有限体积法离散求解三维黏性可压缩流的Navier-Stokes方程,同时建立6自由度刚体的运动学方程与动力学方程。将6自由度刚体运动与计算流体力学耦合,数值模拟超声速下子母弹分离过程,研究子母弹分离过程的流场特性和子弹初始分离状态（如子母弹初始分离时子弹飞行速度及其初始姿态角等）对其分离过程的影响。结果表明：嵌套网格技术可以很好地模拟超声速下子母弹分离的复杂干扰流场;超声速条件下,子弹脱开母弹时的飞行速度和子母弹初始分离速度越大,分离攻角越小,各个弹体之间可以更安全快速地分离。     

时序抛撒子母弹多体干扰气动特性的数值模拟

为研究时序抛撒时子母弹多体干扰气动特性,以时序抛撒子母弹的2种抛撒时序特定分离状态为模型,将分区技术用于混合网格生成法,生成计算网格,利用AUSM+格式求解采用k-ωSST湍流模型的雷诺平均N-S方程,模拟结果与实验结果对比表明,该方法可较细致地模拟时序抛撒子母弹干扰流场结构,获得干扰气动参数.分析表明,抛撒时序是影响时序抛撒子母弹干扰气动参数的重要因素之一,只有选择合适的抛撒时序,才能改善散布面积、提高毁伤效能.研究结果可为进一步研究子母弹时序抛撒干扰气动特性的数值模拟提供参考.     

有限水层对物体运动影响的数值计算研究

穿越自由液面过程中航行体表面携带的附着水层会对分离物体受力及分离运动产生重要影响。首先采用流体体积方法（Volume of Fluid,VOF）建立了圆柱运动的刚体动力学方程和气液两相流动N-S方程的耦合求解模型,基于试验数据验证了算法的准确性。在此基础上,开展了不同外形物体穿越有限水层的计算分析。研究了不同形状、结构质量、运动形式、水层厚度等因素对物体穿越有限水层的受力情况和运动变化规律。     

细长体大攻角非对称涡流的数值研究

运用数值方法模拟了细长体在不同攻角条件下亚音速绕流的背涡结构,探讨了非对称涡流的气动力特性.研究结果表明,在超临界Re数范围内,细长体大攻角绕流的非对称性是沿轴向逐步发展的,背涡结构交替形成、飘起和脱落,并诱导出呈减幅正弦形式分布的截面侧向力.由细长体两侧分离速度不等引起的当地分离涡强度不等是产生截面侧向力的主要因素.随着攻角的增大,流场非对称性越来越显著,侧向力逐渐增大;流场非对称性以及细长体尾部附近类卡门涡街形式的非定常流动都逐渐向前体聚拢.     

细长体自旋与锥动耦合运动作用下的流动结构研究

利用刚性网格运动技术和计算流体力学数值模拟相结合的方法,分析了带鸭舵细长体锥形运动和自转运动耦合作用下的空气动力学特性。研究了带鸭舵细长体耦合运动下的气动力系数随旋转角变化情况,对相同转速、不同攻角下的鸭舵诱导涡系结构和尾翼流场结构进行了对比分析。研究结果表明：耦合运动状态下,细长体的流场结构兼顾锥形运动和自转运动的特点,但又互相干扰、相互融合,涡系发展情况更为复杂,气动力曲线呈现周期性且有规律的振荡;攻角的增加将加剧涡系结构的破坏程度,并改变尾翼附近环状压力等值线的分布形状。     

无人机机载炸弹投放分离特性数值模拟研究

通过在非结构动态重叠网格上耦合求解刚体六自由度运动方程和非定常N-S方程的方法,对无人机机载炸弹投放分离过程中的气动特性和运动轨迹进行了数值模拟研究,获得了炸弹运动过程中的轨迹、姿态等信息,分析了炸弹投放分离过程中的安全性问题.研究表明,在计算攻角范围内(α=1°、5°),无横风条件下炸弹的投放是安全的;有横风(5 m/s、10 m/s)条件下炸弹的投放是不安全的.     

基于不同湍流模型的水下航行体圆柱结构流动特性数值模拟

为提高水下航行体的隐身性能,探究不同湍流模型对水下航行体圆柱结构水动力数值模拟的影响。基于OpenFOAM开源计算流体力学工具包,进行水下航行体圆柱结构的数值模拟。开发3种混合湍流模型嵌入OpenFOAM工具包,3种模型分别为尺度自适应模拟方法、部分平均N-S方程方法和改进的延迟分离涡方法。基于开发的3种模型进行数值计算仿真,得到水下航行体典型圆柱结构的绕流场分布以及受力特征。研究结果表明：湍流模型的选取对于水下航行体水动力模拟有着显著影响,所得结果对后续探究水下航行体辐射噪声的研究具有指导意义。     

区域法在无粘绕流流场数值模拟中的应用

利用区域法对流场进行分块处理，采用分块耦合求解，数值模拟无粘跨、超音速流态下的物体绕流流动特性。数值模拟的出发方程为Ｅｕｌｅｒ方程，采用隐式有限体积ＴＶＤ格式，给出了二维在前、后缘绕流和尾喷流／绕充干扰流场的计算结果，数值计算表明，该方法可以取得高清晰度的流场结构。     

一种伺服机构模拟负载台多弹簧钢板统一设计方法

弹簧钢板是航天伺服机构负载台的重要组成部分,决定了负载台的负载特性。提出了一种伺服机构模拟负载台多弹簧钢板统一设计方法。相较传统方法,该方法可用于多钢板设计并拓展了其设计域。首先,以弹性力学矩形截面杆扭转的解析解为基础,定义了钢板扭转模型并提出修正系数的指数衰减函数形式的近似表达式;其次,提出多弹簧钢板设计的优化模型并给出确定优化初值的方法,该优化模型使目标函数和约束函数在全设计域二阶连续可微;最后,提出简化的钢板负载特性有限元校核方法,该方法可对不同宽厚比钢板扭转进行有限元建模和分析。分析结果表明:用工程案例对伺服机构模拟负载台多弹簧钢板统一设计方法进行检验,有效性得以验证。     

波浪作用下系留系统纵向运动仿真研究

系留系统包含系缆和系留体两部分,分析波浪扰动力对系留系统运动参量的影响需要建立适用的系留系统运动模型。依据牛顿第二定律建立系缆的纵向运动控制方程,在此基础上采用集中质量法建立系缆的离散运动数学模型。基于刚体动量定理及动量矩定理建立回转体型系留体的纵向运动方程。联立系缆和系留体运动模型并补充相应的边界方程即得到系留系统纵向运动模型。采用4阶Runge Kutta法对二级波浪力作用下的系留回转体系统进行了运动仿真,仿真结果显示系留系统在波浪力作用下做周期性摆动。     

单通道控制旋转弹角运动的复分析方法

针对单通道控制旋转弹存在气动力不对称,无法直接采用解析方法分析其锥形运动稳定性的不足,研究了其角运动模型和角运动复分析方法。通过在系统矩阵的不对称气动力项中引入比例因子,构建了单对称μ系数模型和对应的复攻角运动模型,并利用复分析方法对无舵偏、固定舵偏及正弦式舵偏情况下的角运动特性进行解析求解。对比分析单通道控制旋转弹的角运动收敛过程、稳态及共振情况,验证了单对称μ系数模型的有效性和角运动解析求解的正确性,揭示了单通道控制旋转弹在正弦式舵偏情况下出现共振不稳定的机理。     

高速虚拟仿真物体的碰撞检测方法

高速运动虚拟物体在相邻的离散时间点上容易出现碰撞检测遗漏和检测碰撞初始点不准确的情况，针对此问题给出了基于相对运动和空间几何运算结合的随时间运动函数的碰撞检测方法；用相对运动理论推算出移动坐标变换矩阵函数方程。在新的运动路径下进行空间曲线和几何体相交测试。预计算出碰撞时间和碰撞初始点。最后将该碰撞点移动变换回系统坐标空间。得到运动状态下的碰撞位置；该方法能有效准确地检测在高速运动下的碰撞问题。     

空气动力非对称弹丸大攻角旋转共振运动研究及应用

弹丸旋转时,空气动力非对称会对弹丸的角运动产生周期性的强迫干扰,在一定条件下,可以形成弹丸纵轴相对于速度矢量成一定角度的旋转运动,这种旋转运动可用于实现无伞末敏弹的稳态扫描。在考虑弹丸所受非对称空气动力与其他力和力矩的前提下,建立了弹丸的运动微分方程,推导出了复数形式的攻角方程。以攻角方程为基础,探讨了弹丸形成稳定旋转共振状态的条件。针对某空气动力非对称弹丸进行了仿真计算,结果表明：空气动力非对称弹丸在一定条件下可以形成旋转共振运动,为无伞末敏弹的气动设计提供了理论参考。     

绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构的运动学建模与碰撞干涉检测

针对海上多维波浪运动补偿,设计一种6自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构。依据海上波浪运动特点分析波浪补偿装置的功能需求,结合封闭矢量环法构建该机构位姿逆解模型,计算出机构的速度雅可比矩阵,推导出驱动绳和中间刚性支链上的速度、加速度模型,并利用ADAMS仿真软件验证所建数学模型的正确性;建立整体机构静力学模型,采用力封闭算法计算柔性驱动绳和中间刚性支链上的张紧力分配大小,通过搭建的等比实验平台验证该算法的有效性;基于几何矢量法对机构内各部件之间进行碰撞干涉检测分析;通过数值仿真和实验验证分析,从理论和实验两方面验证该绳驱动刚柔混合式波浪补偿机构应用于海上多维波浪运动补偿的可行性,所得结果对进一步研究波浪补偿机构的张紧力算法优化和张力控制具有一定参考意义。     

发射药床自然堆积模拟

为进行发射装药挤压破碎动力学研究,通过几何方法构建了初始构型下发射药床的动力学模型,采用牛顿-欧拉方程描述发射药粒的运动过程,应用线性连接目录法建立每个药粒的邻居目录,建立发射药粒接触识别算法及三维块体接触模型,在邻居目录内应用射线交叉法进行块体间的接触检索,模拟了发射药床在重力作用下的自然堆积过程.获得了发射药床的密...     

一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法

目前无人机、机器人、人体动作捕捉等多个领域都需要全姿态测量方法支持,采用微惯性与磁传感器组合测量姿态是成本低、性能好、普遍使用的一种方案。针对磁力计易受外界铁磁干扰问题,提出一种基于旋转四元数、两级更新的姿态解算方法：第1级根据建立的陀螺仪、加速度计量测模型构建损失函数,采用梯度下降法对载体俯仰角和横滚角进行更新;第2级根据建立的磁力计量测模型,采用梯度下降法对载体偏航角进行更新。利用后验估计四元数计算铁磁干扰估计量,并将其作为下一时刻的先验铁磁干扰。实验结果表明,该算法可以有效校正角速率积分带来的累积误差,提高姿态解算精度,并具有一定抗铁磁干扰能力,增强了微惯性与磁组合测量单元姿态解算方法的环境适应性。     

舰船运动对固体火箭发动机粘接界面疲劳损伤研究

针对固体火箭发动机在舰船运动影响下损伤难以评估的问题,以某固体火箭发动机为例,建立了摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤评估方法。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了其粘接界面的疲劳损伤特性;利用有限元分析方法计算得到了发动机界面剪切应力较大部位的应力谱;运用雨流计数法和Miner线性累积损伤原理对发动机粘接界面的疲劳损伤进行了评估。试验与仿真结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足指数型方程,并且在给定舰载条件下发动机海上战备值班一年的寿命比仓库贮存时至少降低8.62%.针对固体火箭发动机在舰船运动影响下损伤难以评估的问题,以某固体火箭发动机为例,建立了摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤评估方法。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了其粘接界面的疲劳损伤特性;利用有限元分析方法计算得到了发动机界面剪切应力较大部位的应力谱;运用雨流计数法和Miner线性累积损伤原理对发动机粘接界面的疲劳损伤进行了评估。试验与仿真结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足指数型方程,并且在给定舰载条件下发动机海上战备值班一年的寿命比仓库贮存时至少降低8.62%.     

防空制导炮弹有控弹道动态稳定性分析

简述了弹丸动态稳定性的研究状况。针对一对鸭舵、尾翼稳定式防空制导炮弹,建立了鸭舵控制作用下的有控弹道角运动模型,采用李雅普诺夫直接法导出有控炮弹自由运动动稳定条件。通过求解角运动方程,分析了舵面偏转条件下的弹丸受迫运动稳定性,分别讨论了影响自由运动和受迫运动稳定性的因素。结果表明,舵面参数与弹丸转速是影响有控弹道动稳定的主要因素,须在气动布局参数设计和弹道设计时加以合理控制。