航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义. 本文采用VOF (volume offluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律. 研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.      

自主攻击水雷发射流场分析与数值仿真

本文采用有限体积法，对自主攻击水雷开盖前在发射平台内产生的燃气喷射流场进行了数值计算，结合算例给出了发射平台底部反向板、壁面以及雷体表现的压力、温度分布曲线。对照实验结果，说明本文数值方法是正确的，同时也显示了数值计算结果对水雷发射平台筒体、反射板结构强度和刚度的高度，以及如何消除雷体环境条件的不利因素具有重要的指导意义和参考价值。     

冲击作用下易碎式密封盖数值仿真及实验分析

确定了易碎式密封盖的材料和结构,运用有限元法进行了火箭弹和燃气流冲击的数值仿真计算,通过冲破实验进行了间接验证,从而掌握了密封盖的破碎效果和性能。结果表明,密封盖能沿预置沟槽方向破裂,能满足引信体的安全性和可靠性,不影响火箭弹的正常飞行;燃气流冲击力对密封盖影响不大,不会对密封盖造成破坏。     

球体入水空泡演变和运动特性影响试验研究

为了探究表面粗糙度对球体入水空泡演变及运动特性的影响,基于实验室开放水槽试验系统,选取了5种表面粗糙度的球体,使用高速摄像机记录入水过程,并得到了各个球体的入水空泡、喷溅的演变过程以及运动特性的变化。发现入水空泡和喷溅的闭合都会给球体一个负方向的加速度。通过对比不同表面粗糙度球体的位移、速度、加速度曲线,发现表面粗糙度最大的球体在砰击阶段结束后,其速度会明显小于其他球体,并且表面粗糙度对球体运动的影响主要体现在入水早期。分析了上述各球体的入水空泡闭合后,与自由面相连的空泡的收缩运动,发现其收缩速度和加速度曲线均会出现极大值点,呈现出球体表面粗糙度越大出现得越早的趋势。

     

扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.     

新型自冲击密封的泄漏特性与封严机理初探

新型自冲击密封提出以来持续受到同行学者和行业专家的广泛关注和认可,本文中进一步通过对自冲击密封热力学效应及各类流场的剖析,建立起新型密封热力学效应与泄漏量的关系,从热力学角度分析了新型密封的流场特性与泄漏特性,研究了几何参数、工况参数、密封性能参数及其相互间的联系和规律.结果表明：建立的泄漏公式与仿真结果符合较好(变转速下误差为7.59%),可以较好的反映热力学效应与泄漏之间的关系;当密封间距h≤200μm时,密封熵增效果随密封间隙变化最为明显;密封介质流入后温度呈逐级上升趋势,至密封出口处达到最高,出口温度随压力和密封间距的增大而增大,随着级数的增大而缓慢减小,转速对出口温度的影响较小.新型密封主要通过间隙内流体的冲击产热进行能量耗散并最终实现封严功能,如何泄压、控温及选择合适的耐高温材料是新型密封尽早实现工业化应用的关键.     

带尾裙跨介质航行体高速斜入水实验研究

为了研究带尾裙跨介质航行体高速斜入水过程中空泡的发展及运动特性,搭建了高速入水实验平台,并设计了带有内测单元的实验模型,对带尾裙跨介质航行体开展了入水角为20°、入水速度为30~130 m/s的实验研究。采用高速摄像机记录入水空泡,同时由内测单元测量航行体的运动参数和泡内压力,获得了航行体高速斜入水过程中空泡的发展特性、入水运动特性以及泡内压力的变化规律。实验结果表明：带尾裙跨介质航行体在入水过程中形成了滑行运动特性,入水空泡发生弯曲变形现象,随着入水速度的升高,入水弹道向上偏转的趋势更加明显;航行体入水轴向过载峰值作用时间较长,法向过载峰值在入水1.5倍航行体长度后逐渐降至零值附近波动;泡内压力随入水空泡的形成和发展呈现先降低后升高的趋势,且最低压力随入水速度呈线性趋势,形成时间基本一致。

     

便携式电子产品的跌落冲击响应--试验,仿真和理论

便携式电子产品经常在相对恶劣的环境中使用, 在运输和使用时可能会跌落至地面或撞击到其他物体上. 本文概述了便携式电子产品的冲击响应和冲击防护这一新领域的研究状况. 介绍了该研究领域的工业背景和行业标准, 系统评述了相关的研究, 包括实验(跌落试验、冲击试验), 数值仿真及理论模型等方面的进展.      

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明：当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575～0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。     

Y形冲击射流微混合器流场结构和混合特性的三维数值模拟研究

运用三维变密度不可压计算流体力学方法对微型Y形冲击射流进行流动结构研究.结果表明:入射角度和入射速度是影响流场结构和混合效果的两个重要因素,分别存在有最佳入射角度和入射速度.我们发现在射流角度等于90°、射流速度为中速时,其流场结构最利于混合,因为此时射流的接触面积最大.另外,射流速度越大,其分割强度值也越大,因此混合性能也越差.当速度太大时,会使两股流体的接触面破碎而散落在空间中,使其不再接触,因此对分子间的扩散和混合不利.     

冲击消振器的概周期碰振运动分析

建立了冲击消振器对称周期运动的Poincar啨映射方程 ,讨论了对称周期运动的稳定性与局部分岔。通过数值仿真研究了冲击消振器在非共振、弱共振和强共振条件下的概周期碰振运动及其向混沌的转迁过程。     

轴向冲击载荷下开孔薄壁方管吸能特性的研究

利用有限元软件ABAQUS对开孔薄壁方管在轴向冲击载荷作用下的变形规律与吸能特性进行了数值仿真分析,并根据数值模拟结果进行了多目标优化。在薄壁方管的每个侧面上开六个长方形孔,通过改变长方形孔的长度和宽度来研究开孔薄壁方管的耐撞性。结果表明:在研究的范围内,除开孔尺寸为20mm×5mm的薄壁方管外,其余开孔薄壁方管的破坏模式为外延式破坏模式,其变形过程为动态渐进屈曲;当开孔长度增大时,开孔薄壁方管初始峰值力减小;当开孔长度和宽度同时增大时,开孔薄壁方管平均载荷均减小;开孔面积越大,管吸收的能量和比吸能越小;开孔长度不变时,随着宽度的增大压缩力效率降低,当宽度不变时,随着长度的增大压缩力效率增大。基于开孔方管的数值模拟结果构造了响应面模型并对其进行了多目标优化,给出了Pareto前沿图,可根据各目标的偏好确定方管的开孔尺寸。     

菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置,借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程,同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型,通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数,最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态. 结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律,并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律,测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内. 临界冲击工况下颗粒动能损失最大,且冲击角越高,残余动能越少;颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式;颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系,模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.      

多孔冲击式分级采样器的流体力学分析及参数设计

本文描述了多孔冲击式采样器的工作原理,用流体力学方法作了分析计算,并提出了参致设计方法。最后将实验结果和理论作了比较。用本文所述方法设计的HFS-1多孔采样器,经测试性能达到国家标准。     

爆炸地冲击作用下浮放设备滑移抛离分析

从基础和设备间的接触力特点出发,采用Matlab/SIMULINK仿真软件建立了爆炸地冲击作用下浮放设备的滑移抛离模型,并验证了该模型的正确性。通过输入实测爆炸地冲击加速度波得出在真实爆炸环境中浮放设备的运动历程可分为相对静止、滑移、抛离、滑移减速等四个阶段。并根据其特点,提出了合理简化加速度波,采用该加速度波形,分析得到了浮放设备运动响应与动摩擦系数、爆炸地运动参数的关系。     

循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性,首先采用分离式霍普金森压杆,通过试冲法确定出5种代表性的入射子弹速度,据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验,并对试样的应力均匀性进行了检验。接着,从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后,基于能量演化定义损伤变量,探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明：试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段,应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹;随着循环次数的增加,试样峰值应力总体减小,而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反,且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象;峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系,弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律;试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关,基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。     

陶瓷水煤浆喷嘴的热冲击特性及有限元分析

采用热压烧结工艺制备出口无锥度(直口)和出口带锥度(锥口)2种Al2O3/TiC陶瓷水煤浆喷嘴,在工业锅炉上研究其热冲击行为,采用扫描电子显微镜分析喷嘴磨损表面形貌和微观组织结构,利用有限元法分析喷嘴的温度场和热应力.结果表明:陶瓷水煤浆喷嘴的出口结构对其热冲击行为影响很大,锥口喷嘴因所受热辐射面积小于直口喷嘴,内部的温度梯度和热应力较低,表现出较好的抗热冲击性能;Al2O3/TiC陶瓷喷嘴的温度梯度和热应力由入口到出口逐渐增大,出口部位的较高温度梯度和热应力是导致其磨损失效的主要原因;Al2O3/TiC陶瓷喷嘴的磨损形式表现为脆性断裂、研磨损伤、热裂纹和热崩等特征,其中热裂纹和热崩为主要磨损形式.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

菱形颗粒冲蚀磨损特性试验及仿真研究

本文中针对单个硬质角形颗粒冲击金属材料表面的过程,设计了弹射试验装置,研究菱形颗粒冲击行为及冲蚀机理.采用高速摄像机,捕捉不同冲击速度v_i、冲击角度α_i和方位角度θ_i下颗粒的运动轨迹.建立了基于拉格朗日法的FEM-SPH耦合数值计算模型,借助于模型进一步分析了角形颗粒的运动学行为和变形凹坑形态.结果表明:冲击角α和方位角θ是决定颗粒旋转的关键因素,在某一固定冲击角αi下存在一个临界方位角θcr_i,当θiθ_(cri)时颗粒冲击后发生前旋旋转,当θ_iθ_(cri)时颗粒冲击后发生后旋旋转;冲击诱导的颗粒旋转对冲蚀机理的影响较大,颗粒前旋旋转对金属材料产生"耕犁"作用,后旋旋转对金属材料产生"撬起剔除"作用.颗粒的动能损失受到冲击角α_i和方位角θ_i的影响较大,临界方位角θ_(cri)下颗粒的动能损失最大,凹坑变形最严重.     

不同电极数石英谐振器集群力敏特性分析

为了提高石英力敏谐振器的力-频转换系数,根据石英晶体压电效应及各向异性特性,利用Matlab数值计算方法,研究了径向力作用时AT切石英晶体薄圆片内各点的应力分布特点,设计了不同基频及不同电极数的石英力敏谐振器集群,并对其力敏特性进行了测试。结果表明:谐振器的力敏特性与谐振器的谐振频率、电极位置及力作用方位有关;集成于同一晶体基片不同位置的谐振器谐振频率作差频处理,得到的差频信号仍具有显著的力敏特性,同时差频信号中材料自身干扰因素的影响得到了抑制;在非耦合状态下,同一晶体基片上电极集成数越多,差频组合形式越多,得到的叠加信号的力敏特性越显著;经差频及叠加处理,集成式石英六电极谐振器的力-频转换系数可达8655.8 Hz/N。这种结构的力敏谐振器可用于高稳定的数字式力传感器及相关姿态检测控制系统。