射弹冲击起爆带壳炸药临界速度研究

为研究射弹材料对冲击起爆带壳炸药临界速度的影响规律,以期为射弹武器设计提供数据依据,采用LS-DYNA软件,应用冲击起爆Lee-Tarver点火增长模型,对相同质量的三种材料射弹撞击带壳炸药分别进行了数值仿真,分析了冲击起爆过程,得出了不同长径比下三种材料射弹对带壳炸药的临界起爆速度,并建立了理论计算模型,采用冲击起爆理论判据验证了数值仿真结果的准确性。计算结果表明:三种射弹材料对带壳炸药的引爆能力有明显差异;冲击起爆点并不位于炸药和壳体的交界面,冲击速度越大,起爆点越接近交界面;射弹长径比越大临界起爆速度越高。     

超空泡航行器极点配置变结构控制方法研究

超空泡航行器在航行过程中，尾部会周期性拍打空泡壁而表现出强烈的“尾拍”现象，尾部空泡是由空化器经历的历史位置形成，呈现强烈的时滞特性，动力学建模和稳定控制是制约其发展的核心难题。针对泡体耦合问题，建立了空泡/刚体相对几何关系一体化实时解算的动力学模型。针对后体非线性特性，采用分段线性化方法，在保留后体尾拍非线性特性的基础上，建立了面向控制的简化模型。为了解决超空泡航行器非线性时滞控制问题，针对弹体运动极其敏感、操纵效率高等特点，采用极点配置的方式将控制模型配置到理想状态。针对尾拍过程非线性和不确定极大的特点，建立了面向扰动的变结构控制器，实现超空泡航行器扰动运动控制。采用极点配置变结构控制方法，分别设计了滚转通道和俯仰通道控制律。利用泡体耦合动力学模型进行6DOF控制闭环轨迹仿真，稳定巡航过程中深度控制误差小于0.1m，滚转角控制误差小于4°，表明该控制方法能够对航行器滚转角和深度实现稳定控制，控制效果较好，能够满足超空泡航行器航行要求。     

超空泡射弹弹道特性影响因素仿真研究

建立并简化了水下超空泡射弹动力学和运动学模型,基于空泡模型假设和空泡截面独立扩张原理,确定了空化数与速度及深度的耦合计算关系和水下射弹尾翼穿刺前的临界空化数,进而对水下超空泡射弹弹道特性进行了仿真研究。仿真结果表明,水下射弹有效射程受自身质量和发射深度影响很大,有效射程与自身质量成线性增长关系,与发射深度成近似线性递减关系;在实际作战中,需考虑射弹发射深度对有效射程的影响,可以通过适当增加自身质量的方法,增大射弹有效射程。     

高速射弹流体动力特性及空泡形态数值仿真

准确获得流体动力特性和空泡形态是研究水下高速射弹运动稳定性优化控制问题,由于攻角的影响,对空泡形态产生扰动,并影响航行器的稳定性。为研究攻角引起的流体动力特性和空泡形态变化强耦合性对射弹的同时作用,建立了射弹自然空化的三维仿真计算模型,在射弹可变攻角下的流体动力特性及空泡形态进行了数值仿真,得到了二者随攻角的变化规律。结果表明:在小攻角条件下射弹流体动力参数处于线性变化工作域,射弹临界攻角大于自力超空泡航行器,说明数字仿真方法正确,模型合理,为研究射弹弹道稳定性提供了理论基础。     

自行火炮虚拟试验平台研究

为了实现自行火炮从开始射击到弹丸出炮口全过程的协同仿真,建立了由内弹道计算模块、自行火炮动力学仿真模块和系统优化模块三个子系统组成的火炮虚拟试验平台;同时,通过将虚拟体引入仿真模型,得到了以弹丸运动状态为目标函数的火炮系统优化模型.以某型火炮为例,获得了在相同射击条件下试验测试数据和平台仿真结果的对比曲线,以及弹炮间结构参数对弹丸角速度的优化结果.分析表明,虚拟试验平台能较真实地反映自行火炮的动态响应特性和弹丸的膛内运动规律,可用于分析火炮结构对射弹散布的影响,为弹炮耦合问题的研究及系统优化提供了一定参考.     

刚柔耦合控制系统仿真研究

该文介绍了交互使用有限元分析软件和控制系统仿真软件实现具有刚柔耦合结构复杂系统的仿真方法。使用有限元技术建立弹性体模型,通过二次开发语言编程实现弹性体动力响应有限元分析全过程,将计算所得的弹性体位置和速度响应以文件形式保存并传递给在控制系统仿真软件中建立的弹性体环节作为该环节的输出。同时在控制系统仿真软件中建立刚体动力特性模型以及控制器反馈模型,用C语言编程实现仿真软件调用有限元分析程序的接口,从而实现整个系统的仿真。该方法能够仿真具有任意复杂结构弹性体的刚柔耦合控制系统的动态响应,由于使用有限元方法使得仿真结果较为精确。     

水下爆炸冲击载荷作用下舵的动态特性

利用Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)有限元方法求解爆炸冲击过程中的流固耦合问题:采用ALE算法描述流体和炸药模型,采用Lagrangain方法描述舵结构模型,不同介质间的界面采用接触罚函数耦合算法。应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA仿真模拟舵遭受TNT炸药爆炸冲击作用的全过程,得到舵的应力云图、位移云图,典型位置压力时间历程,加速度时间曲线等冲击响应。计算结果表明:利用A L E方法可以预估舵在水下爆炸冲击载荷作用下的损伤情况,为舵的抗冲击设计提供依据。     

大功率雷达电源并联均流技术的研究

采用多台开关电源并联运行实现大功率电源输出是目前雷达电源技术的发展方向之一。针对雷达电源并联均流过程中存在的动态响应不佳,易出现过流保护的问题,提出采用改进式自主均流策略,改善系统的均流动态性能。利用Matlab仿真软件和三端开关器件模型法对改进式自主均流策略进行分析,给出了其控制回路的设计原则。仿真结果表明改进方法使均流精度在2%以内,动态响应好,满足雷达电源性能的要求,为改进式自主均流法在大功率雷达电源系统中的应用提供了理论依据和设计方法。     

细长柔性空间结构几种动力学模型的比较

对于自由-自由边界的大型柔性梁式空间结构在轨搬运过程中,其大范围刚体运动和柔性振动会相互耦合,是一类典型的刚柔耦合动力学问题.建立相对准确的动力学模型是设计良好控制系统的前提,但现有文献在研究该问题时却采用了忽略刚柔耦合作用的动力学模型并依此设计控制器,因此有必要建立耦合模型,并探讨其与非耦合模型之间的区别和适用性.首先针对结构自身运动特点选择以瞬时质心为原点的浮动坐标系作为辅助坐标系,将结构两类不同的运动形式进行分解,并利用其产生的附加约束条件简化虚功表达式;其次选择Euler-Bernoulli梁变形形式描述结构变形并采用假设模态法对变形进行变量分离;基于虚功原理推导得到结构大范围运动的刚柔耦合动力学模型;通过仿真算例1对非耦合模型、零次近似模型和一次近似模型进行了对比,验证了非耦合模型的不合理性及零次近似简化模型的准确性和有效性;通过仿真算例2对零次近似简化模型和一次近似模型的对比,说明了二者的使用范围;仿真对比为后续的运动控制系统设计和振动抑制研究提供了依据.     

基于ADAMS的弧焊机器人运动仿真

机器人三维运动仿真是当前机器人研究领域中重要的研究方向之一。采用CAD软件Pro/E和机械系统动力学仿真软件ADAMS,对德国CLOOS公司生产的76AW型弧焊机器人建立了三维运动仿真模型。采用Denavit-Hartenberg方法建立了连杆坐标系下的机器人运动学模型,并采用Matlab编写了运动学正、逆解的程序。详细阐述了模型的建立方法及具体过程,实现了在ADAMS环境下的机器人焊缝路径的运动仿真。为机器人动力学及离线编程技术的研究提供了基础。     

Euler–Lagrange coupling with damping effects: Application to slamming problems

During a high velocity impact of a structure on a nearly incompressible fluid, impulse loads with high-pressure peaks occur. This physical phenomenon called ‘slamming’ is a concern in shipbuilding industry because of the possibility of hull damage. Shipbuilding companies have carried out several studies on slamming modeling using FEM software with added mass techniques to represent fluid effects. In the added mass method inertia effects of the fluid are not taken into account and are only valid when the deadrise angle is small. This paper presents the prediction of the local high pressure load on a rigid wedge impacting a free surface, where the fluid is represented by solving Navier–Stokes equations with an Eulerian or ALE formulation. The fluid–structure interaction is simulated using a coupling algorithm; the fluid is treated on a fixed or moving mesh using an ALE formulation and the structure on a deformable mesh using a Lagrangian formulation.A new coupling algorithm is developed in the paper. The coupling algorithm computes the coupling forces at the fluid–structure interface. These forces are added to the fluid and structure nodal forces, where fluid and structure are solved using an explicit finite element formulation. Predicting the local pressure peak on the structure requires an accurate fluid–structure interaction algorithm. The Euler–Lagrange coupling algorithm presented in this paper uses a penalty based formulation similar to penalty contact in Lagrangian analyses. Both penalty coupling and penalty contact can generate high frequency oscillations due to the nearly incompressible nature of the fluid. In this paper, a damping force based on the relative velocity of the fluid and the structure is introduced to smooth out non-physical high frequency oscillations induced by the penalty springs in the coupling algorithm.     

基于SPH与FEM的结构入水分析方法

建立基于光滑粒子动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）、有限元法（finite element method, FEM）和无反射边界耦合的结构入水分析方法,将无限水域利用无反射边界条件截断成有限水域,将有限水域分为流体变形大的SPH区域、流体变形小的FEM区域和声学流体FEM区域,结构用FEM离散。采用通用接触算法模拟SPH与FEM的耦合,采用声固耦合方法处理FEM区域之间的耦合,建立流固耦合的SPH FEM分析方法。该方法结合SPH模拟大变形的优点和FEM的高效性,可实现含自由液面变形、液体飞溅和无限水域等特点的流固耦合问题的模拟,为结构入水分析缩小离散区域、降低自由度和SPH粒子数等提供一种有效的分析方法。     

Numerical simulation of structure response outfitted with a tuned liquid damper

An integrated fluid–structure numerical model has been developed to simulate the response of a single degree of freedom (SDOF) structure outfitted with a Tuned Liquid Damper (TLD). The structure is exposed to random external excitations. A non-linear, two-dimensional, flow model has been developed using the finite-difference method. Unlike most existing flow models, the present model does not include any linearization assumptions; it rather solves the entire nonlinear, moving boundary, flow problem under conditions leading to large interfacial deformations. The free surface has been reconstructed using the volume of fluid method and the donor–acceptor algorithm. The Duhamel integral method has been used to determine the response of the structure. The effectiveness and accuracy of the flow model has been validated using a set of benchmark problems and experimental data. The numerical results of this model have been compared with results of an equivalent TMD model. The present fluid–structure model can be used as a valuable tool for performance evaluation and design of more effective tuned liquid dampers.     

弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析

弹性环挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出ERSFD的力学特性.为了进一步探究ERSFD的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取ERSFD中油膜压力的分布规律.在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出ERSFD等效刚度、等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中.通过数值计算研究了ERSFD支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图、轴心轨迹等.同时,通过对比分析,进一步揭示了ERSFD所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对ERSFD轴承支撑特性的理解.     

流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用

随着有限元仿真技术的快速发展,流固耦合技术的应用范围越来越广.介绍3个典型的采用Abaqus等进行流固耦合仿真的应用案例.调查研究得出流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用具有深层的意义和广阔的市场.     

发动机排气管流-固-热强耦合分析

为研究发动机排气管在流-固-热强耦合作用下的复杂工况,用INTESIM软件中流-固-热强耦合的方法计算某型发动机排气管在工作过程中流场、温度场、热变形和热应力的分布情况.结果表明,与传统的分析方法相比,INTESIM的强耦合方法收敛性更好,并且可以在同一软件平台下对模型耦合矩阵方程直接求解得到结构应力场、位移场、流场和温度场的所有结果.     

Laplace transform finite volume modeling of water hammer along fluid–structure interaction

Water hammer or propagation of pressure waves generates profound forces through pipelines of industrial high pressure processes which causes structural vibration of the pipe in both radial and axial directions. To model the sudden rupture of a pipeline system the fluid–structure interaction, FSI, is taken into account by coupling the structural vibration equations to the fluid dynamic equation. In this paper, Laplace transform finite volume, LTFV, which is a new technique along the finite element method is developed to treat fluid transient and the structural vibration equations respectively.To evaluate the numerical results, a Thermal Hydraulic Test Loop (THTL facility) which has been designed and constructed for experimental research on the physical phenomena, characteristics and performance of the safety systems involved in plants is used. To conduct tests for representing a sudden break condition in the loop, the THTL facility has been equipped by devices and sensors to record pressure and vibration signals during simulated accidents. Under steady condition, by an electrical signal an electric valve, Break valve, is opened and simultaneously pressure along pipe vibration signals close to valve is recorded. Comparing the experimental data to results from numerical modeling validated the implemented method.     

热膜式空气质量流量传感器动态特性研究

空气流量传感器可以精确测量发动机进气量,发动机在进气管内的流动是流速变化较大的非稳态流动,需要流量传感器具有较快的动态响应特性。通过建立取样流道中的热固耦合模型,利用流体力学的方法,模拟计算动态响应特性,获得了流量传感器探头的温度场,利用阶跃脉冲模拟计算了传感器的动态响应特性,利用气道试验台进行动态响应特性的测试。热膜的热平衡需要一个自我调整的过程,所以,实测的动态响应速度低于计算模拟值。     

Partitioned simulation of the interaction between an elastic structure and free surface flow

Currently, the interaction between free surface flow and an elastic structure is simulated with monolithic codes which calculate the deformation of the structure and the liquid–gas flow simultaneously. In this work, this interaction is calculated in a partitioned way with a separate flow solver and a separate structural solver using the interface quasi-Newton algorithm with approximation for the inverse of the Jacobian from a least-squares model (IQN-ILS). The interaction between an elastic beam and a sloshing liquid in a rolling tank is calculated and the results agree well with experimental data. Subsequently, the impact of both a rigid cylinder and a flexible composite cylinder on a water surface is simulated to assess the effect of slamming on the components of certain wave-energy converters. The impact pressure on the bottom of the rigid cylinder is nearly twice as high as on the flexible cylinder, which emphasizes the need for fluid–structure interaction calculations in the design process of these wave-energy converters. For both the rolling tank simulations and the impact simulations, grid refinement is performed and the IQN-ILS algorithm requires the same number of iterations on each grid. The simulations on the coarse grid are also executed using Gauss-Seidel coupling iterations with Aitken relaxation which requires significantly more coupling iterations per time step.     

横风下高速列车系统动力学的平衡状态法

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态;然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26%以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.