平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析

为探究回转体在高速入水过程中的结构强度,基于非线性有限元LS-DYNA软件中流固耦合任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法,分析了不同壁厚的回转体以100 m/s的初速度入水过程中的冲击力特性和结构强度。结果表明：数值计算得到的入水冲击压强峰值和速度衰减曲线与相应的理论值吻合较好,从而验证了数值方法的有效性;入水冲击载荷峰值出现在结构入水瞬间,结构入水后冲击载荷急剧变小且微小震荡;回转体的结构形式对其在高速入水过程中的结构强度有重要影响,尤其回转体头部厚度影响回转体结构强度,当回转体头部厚度为8 mm、后体壁厚大于2.5 mm时,可以保证回转体强度要求。

     

基于ALE方法的航行体高速入水缓冲降载性能数值研究

针对航行体高速入水过程中的降载问题,设计了缓冲组件模型,并采用有限元任意拉格朗日-欧拉（ALE）的流固耦合方法,建立精确数值计算模型,对安装缓冲组件的航行体高速入水问题进行数值计算分析,获得入水过程中缓冲罩壳与缓冲泡沫的动态破坏过程及航行体运动参数,从而分析不同缓冲方案的缓冲性能。结果表明已设计的缓冲组件在航行体入水时能够吸收一定的冲击能量发生破坏并及时脱离航行体,同时缓冲泡沫的分层设计改变了缓冲罩壳的破坏方式,使罩壳破坏时间提前;撞水时在罩壳的头部与预设沟槽处会出现明显的应力集中,并且罩壳的沟槽设计能有效的引导其破坏形态,分层后的缓冲泡沫不易完全破坏,出现了二次缓冲的现象;缓冲组件使航行体入水速度曲线变化更加平缓,相同时间内航行体位移更大,分层缓冲泡沫方案降载率可达73.2%,缓冲效果较单层泡沫方案更好。     

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。     

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

单轨火箭橇靴-轨冲击响应传递特性研究

单轨火箭橇靴-轨的冲击响应是影响其运动过程中系统稳定性的主要问题。本文以单轨火箭橇为研究对象,采用有限元结构动力学仿真分析方法建立了非线性火箭橇-轨道耦合动力学模型;对比分析了理想平直轨和不平顺轨两种轨道模型条件下滑靴、卡环、发动机的振动量变化,并进行了火箭橇的试验验证和数据对比。结果表明:不平顺轨道对火箭橇靴-轨冲击响应振动加速度均方根值的影响大于理想平直轨道,滑靴处二者最大偏差为3～5倍,且随机振动特性显著;最大速度时刻的靴-轨冲击预测结果与实测值在侧向和竖向振动趋势上具有很好的一致性。研究结果为火箭橇结构优化设计及稳定性分析提供了理论依据和技术保障。     

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用,是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律,本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台,建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型,开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明：数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合,验证了流固耦合方法的有效性;回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处,后集中于回转体底部中心处;流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的,弹性回转体的载荷曲线产生明显波动;撞水阶段,回转体空泡呈现不对称形态,随着入水加深,空泡不对称性变弱;入水速度60 m/s下,空泡发生表面闭合,回转体入水初速度越快,空泡表面闭合越晚;冲击载荷与入水速度有关,入水速度越大,峰值出现越早,震荡越明显,速度超过100 m/s时,回转体产生塑性形变。

     

带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析

针对带环形密闭气囊弹体入水冲击问题,基于LS-DYNA,运用控制体积法模拟环形密闭气囊,结合流固耦合算法,模拟了某弹体及附带环形密闭气囊入水过程。将入水过程分为弹体砰水、气囊着水、入水减速、水中悬停、缓慢上浮、上浮出水、水面漂浮7个主要阶段,对比分析了垂直与倾斜入水过程中不同阶段弹体和气囊的姿态变化、减速特性及入水深度等特征的异同。从气囊内压变化、流体对气囊的作用合力、气囊内压与入水速度的关系等方面研究了流体与气囊的相互作用,发现入水过程中气囊内压的变化主要受入水深度、运动速度、连接绳拉力等因素影响。通过计算不同初始内压条件下弹体的入水深度、减速时间及连接绳的拉力峰值,发现囊压越高,入水深度越小,减速时间越短,但是相应连接绳对弹体外壳的拉力峰值越大。因此,在进行入水回收气囊参数设计时,需要综合考虑缓冲效果、减速效果及气囊安全性等因素。

     

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。     

弹性楔形体入水砰击载荷及结构响应的理论计算与数值模拟研究

针对弹性楔形体砰击载荷及结构响应问题,采用理论解析计算方法以及任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合数值计算方法开展研究。分别分析不同边界条件、入水速度、板厚以及斜升角对弹性结构所受砰击力及结构响应的影响及变化规律,并探讨砰击载荷时间历程和物面分布特性。结果表明,通过增大斜升角可有效降低弹性楔形体砰击载荷和结构响应,斜升角自10°增大至30°,无量纲砰击力峰值减小至6.9%,结构变形极值减小至6.5%。可通过水弹性因数${ {R_{\text{F}}} = {C_{\text{B}}}\tan \beta \sqrt {EI/(\rho {L^3})} /v }$评估板厚、入水速度、斜升角以及边界条件对砰击载荷作用下结构水弹性效应的影响,在水弹性因数R_F＞1.71时,可采用理论解析方法高效高精度预报砰击载荷作用下弹性楔形体结构变形响应。

     

弹体高速入水特性实验研究

进行了速度在35～160 m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形状对入水弹道稳定性的影响.结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在...     

火箭橇加载试验技术研究

根据空气动力学和火箭发动机的相关理论,针对600 m长无缝滑车轨道,对搭载50 kg有效载荷、速度为45 m/s和搭载100 kg有效载荷、速度为200 m/s的两种双轨滑车进行了理论估算和试验验证。试验中,滑车的速度测试采用磁感应法、激光法和高速摄影法三种方法。试验结果表明,三种测试方法获得的滑车速度值一致,测试结果与理论计算值符合得较好。     

刚性球体三维高速垂直自由入水载荷

入水结构体在从空中弹道转入水下弹道的入水阶段,其周围的流体将呈现出强非线性性质,本文针对传统基于Wagner理论的结构体入水载荷计算模型不能很好描述流体三维流动的情况,基于无黏不可压流体流动模型,考虑流体弹性,采用微元边界运动等效方法对运动边界进行分段分析,计及入水过程中系统的动能损失,根据能量守恒,对刚性球体高速垂直自由入水过程中流体的三维流动进行了理论分析,建立了基于无黏不可压弹性流体的刚性球体垂直高速入水载荷计算模型,并与基于多介质任意拉格朗日欧拉方法的有限元模型进行了对比分析,验证了该方法的可行性。基于此模型,本文进一步分析了入水载荷的影响因素。该方法提供了一种计算结构体垂直高速入水载荷的思路,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

惯导系统火箭撬试验数据处理方法

惯导系统火箭橇试验技术在国内还属于一门新兴的试验技术,刚处于起步探索阶段。惯导系统火箭橇试验是验证惯导系统在复合环境下的误差模型、评定制导系统误差模型精度以及分离大过载条件下惯导系统误差系数的有效手段。主要探讨了惯导系统的误差模型,提出了基于火箭橇试验的动态条件下的误差分离和数据处理方案,并对火箭橇试验中数据处理方法进行了分析。这些研究为在我国进一步开展惯性装置火箭橇试验研究提供理论基础。     

惯性测量装置火箭橇试验外测数据融合方法

在3 km火箭橇试验的基础条件下,为解决惯性测量装置火箭橇试验中雷达外测系统、遮光板外测系统和GPS系统的时间不同步、初始状态不一致以及分离误差采用单一外测数据的问题,通过解算和分析火箭橇试验过程中的雷达外测数据、遮光板外测数据和GPS外测数据的数据特点,探究了一种雷达外测、遮光板外测和GPS系统的数据融合方法。该方法有效的利用了雷达的测速精度和遮光板的位置精度,弥补了水刹车段外测手段单一的不足,成功将各外测系统融为一体,系统位置精度小于0.02 m,系统测速精度小于1‰,为惯性测量装置的误差分离提供了一个完整、准确的外测系统。     

惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性

惯性测量系统火箭橇试验过程中,惯性测量系统根据试验要求安装于减振平板上,而减振平板通过金属减振器安装于橇体上。通过振动传感器实时测量和记录橇体、减振平板和惯性测量系统的振动和冲击信号,待试验结束后读取记录存储的数据并进行振动量级、振动传递和减振效果分析。提出了一种描述惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性的方法,包括振动谱图例对比、振动谱比值对比和基于AR模型幅值修正的传递函数描述方法。通过对各部分数据进行比较,验证了数据处理方法的正确以及描述惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性的有效性。     

火箭橇试验分离制导工具误差的有效性分析

火箭橇试验能在地面提供逼真的飞行环境,是制导系统可靠性检验与精度鉴定的有效手段,代表了未来制导系统测试的一个发展方向。利用火箭橇试验分离制导工具误差是制导系统精度鉴定的核心内容,对此进行了研究:给出了解析式平台制导系统的火箭橇试验方法;推导了制导工具误差系数分离模型;重点对火箭橇试验分离制导工具误差的有效性与精度进行了分析。结果表明,常规解析平台跟踪发射惯性坐标系的情况下,仅能有效辨识少数工具误差系数,系数辨识的精度很大程度上受制于外测精度;进一步分析表明其成因皆由火箭橇试验特性所致。最后给出了三种改善工具误差分离精度的途径。     

惯性测量装置火箭橇试验过载曲线设计方法

在3 km火箭撬轨道的试验背景下,提出了一种适合惯性测量装置火箭撬试验的过载曲线设计方法。首先对火箭撬运动过程中的主要受力进行了受力分析,在此基础上将火箭撬运动分为三段,包括主动段、自由滑动段和水刹车段,并建立了火箭撬基本运动方程。为确保过载曲线设计方法的精度,进行了仿真误差分析,修正了火箭发动机熄火时间和空气阻力系数,保证了过载曲线设计方法的合理正确。最后对此曲线设计方法又进行了一次验证试验,模型修正后速度仿真结果与实测速度结果基本重合,最大误差也不超过3 m/s,从而验证了提出的火箭撬试验过载曲线设计方法的正确性。本文的研究对惯性测量装置开展精度验证和误差系数的分离奠定了良好的基础。     

汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态仿真

汽车模拟碰撞(台车试验)用缓冲装置是汽车零部件安全试验中一个非常关键的设备。应用孔口节流理论，建立了汽车模拟碰撞用液压缓冲器的力学模型，同时对主要参数对模型的影响进行了具体的讨论。试验证明，进行参数优化后，计算曲线能够很好地模拟试验曲线。该仿真过程可以为类似液压缓冲器的理论建模和调试提供依据。