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[硕士论文] 白洋
航天工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:超空泡减阻技术可以使枪弹在水下行进时的阻力减小为原来的十分之一,使枪弹在水中有较高的行进速度,较远的杀伤距离,对新一代水下作战的枪弹具有重要的研究意义。本文利用流体分析软件对三种不同外形的子弹和空化器进行了超空泡形成过程的数值模拟,分析在不同深度和不同速度下的超空泡外形和阻力系数,以期提高射弹在水下的性能。本文具体内容如下:
  首先,介绍了超空泡的产生以及空化现象,超空泡数值计算的方法。
  其次,利用流体分析软件对尖弹头、钝弹头和平弹头进行超空泡数值模拟,得到三种弹头在水下的压力云图、速度云图和超空泡外形,得到不同弹头的阻力系数。
  再次,利用流体分析软件分析了用于减少弹头阻力的三种空化器产生的空泡,得到三种空化器在水下的压力云图、速度云图和超空泡外形,得到三种空化器的阻力系数,比较三种空化器产生空泡的难易程度。
  最后,分析不同速度下的三种空化器运动的阻力系数,比较了安装三种空化器射弹的射程。
[硕士论文] 张学伟
兵器科学与技术 中北大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,为了提高海军装备和水下作战能力,许多国家致力于在水中兵器的研究。超空泡理论的提出,使水下鱼雷和水下射弹的速度大幅提高,为水中兵器的发展提供了广阔的应用前景。到目前,水下超空泡射弹在水中运动时常出现失稳、弹道弯曲等问题,亦成为水下超空泡射弹研究的重点和需要攻克的难点之一。
  影响水下超空泡射弹减阻性能和失稳的因素有很多,如弹丸的质心位置、空化器形状、空化器大小和长径比等。本文针对水下超空泡射弹的弹道特性进行了数值仿真计算,通过计算分析影响弹道稳定性和减阻性能的因素。
  文中首先介绍了超空泡理论和流体动力学的数值计算方法,其中超空泡理论和数值计算方法为运动仿真提供参考,超空泡射弹水下运动方程为编写弹丸运动的六自由度方程(6DOF)提供理论依据。本文第三章根据经典内弹道方程的基本理论知识,对水下超空泡武器多环境内弹道进行分析计算,通过对比两种环境的内弹道结果和分析内弹道各参数对水下内弹道膛压、初速的影响,得到一些理论基础,为后续超空泡水下射弹外弹道特性分析提供一些参考数据。第四章和第五章,分别采用了二维和三维的拟真建模仿真分析方法,利用超空泡细长流理论和6DOF方程对水下超空泡射弹的减阻性能和稳定性进行研究。通过二维数值仿真分析,对空化器形状对射弹稳定性和减阻性能的影响进行对比研究;通过三维模型数值仿真,分析了超空泡射弹在水下运动稳定性的影响因素,并对射弹的弹形进行了初步的优化设计。
[硕士论文] 梅雄三
火炮、自动武器与弹药工程 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:本文以某预研项目为背景,以某水下炮为研究对象,针对其在水下工作时的内弹道数值仿真、弹前激波特性、弹前高压气体出炮口与水相互作用形成的气液两相流炮口流场的仿真分析、火药燃气出炮口形成的气液两相流仿真分析、密封机构设计及其运动学和动力学分析以及对关键零部件的刚强度分析等方面展开了研究。
  论文首先分析建立加装炮口密封装置的水下炮内弹道数学模型,并根据自动机装药特性通过MATLAB编程对内弹道进行数值仿真得到弹丸的速度曲线和膛压曲线。其次运用计算流体动力学理论,在Fluent流场仿真软件中建立流场仿真模型,对弹前激波的形成及发展、弹前高压气体与水的相互作用的气液两相流的炮口流场的形成及发展、剩余火药燃气出炮口与水的相互作用的气液两相流的炮口流场的形成及发展、未密封时间段外流场水进入量的多少均进行了仿真分析,得到了炮口装置的最佳打开时间、身管内部初压力的合适值、火药燃气与水作用时燃气压力由出炮口压力降低至初压力所用时间等关键参数,然后再利用流场仿真得到的关键参数进行密封机构的设计,并运用多刚体动力学理论,在Adams中建立加装密封机构后的仿真模型,仿真得到弹丸及密封盘的运动学特性曲线,结果表明密封机构的结构设计是合理可行的,能够实现对炮口的良好密封。最后运用Adams仿真中得到的密封机构工作时零件之间的碰撞力和扭矩及炮口流场压力变化曲线作为载荷在ANSYS中对传动轴及密封盘等关键零部件进行了有限元分析,得到应力、应变云图,结果表明关键零部件的刚强度在工作状态下满足设计要求。
  本文研究方法和研究成果对水下武器的炮口密封方式选择和密封机构设计等方面具有一定的参考价值。
[硕士论文] 张弛宇
火炮、自动武器与弹药工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:水下声弹作为由潜艇发射的水下武器,当到达目标区域后爆炸产生声效能而发挥作战功效。已知的研究表明,爆炸威力决定着爆炸产生的声效能。因此水下运动特性和爆炸威力是研究水下声弹的重点。本论文采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法对声弹水中运动特性和爆炸威力特性进行了研究。研究结论可为水下声弹结构设计、运动特性提升、爆炸声信号研究以及柱形子弹水下爆炸威力场分布等相关理论提供补充和技术支持。
  首先,建立水下声弹水中运动流场模型,利用基于S-A的DES模型对雷诺数Re=106的声弹水中运动特性进行了分析,获得了运动所受的平均阻力系数、升力系数和斯特劳哈尔数,并与已有的同雷诺数下子弹水中运动试验结果进行了对比,验证了数值模拟的准确性。得到并研究了卡门涡街现象以及分析了声弹周围时均流场特性。最后分析了声弹在更高雷诺数情况下运动所受的平均阻力系数和斯特劳哈尔数,以及水下声弹表面截面形状对平均阻力系数和斯特劳哈尔数以及涡街的影响。
  对弹药水下爆炸威力特性进行了研究。建立了爆炸冲击波传播模型,得到了水下爆炸冲击波传播规律。建立了单装药和双装药水下爆炸模型,对比分析了单装药和双装药的传播特性,得到了能量对冲击波持续时间的影响;研究了双装药在不同延时起爆时间下的爆炸特性。建立了有限元模型,对气泡脉动物理过程进行了研究,确定了AUTODYN在模拟气泡脉动过程的准确性,在此基础上分析了爆炸深度对气泡脉动周期和气泡脉动最大半径的影响。
  设计并进行了水下单个炸药爆炸和连续爆炸试验,将爆炸冲击波转换为声信号进行研究。对声信号进行了分析,得到了单个炸药爆炸声压级和连续爆炸声压级。利用小波变化研究了声信号能量分布。研究了一定频率范围内声信号散射强度与频率的关系。利用Welch方法得到了水下爆炸冲击波功率谱。在多子弹连续爆炸试验中,还研究了爆炸间隔时间对爆炸声压级凹点和功率谱的影响。
  在水下声弹柱形子弹水下爆炸威力场研究中,通过分析几种不同长径比柱形子弹的水下爆炸威力场,并与等药量球形装药爆炸威力场进行对比分析,得出柱形子弹和等药量球形装药远场冲击波等效关系,赋予等效关系准确的函数,并对函数进行拟合和推导。再结合P.Cole经验公式得出柱形子弹爆炸威力场计算公式,并对推导公式进行了试验论证,证明了公式的科学性。
[硕士论文] 齐亚飞
航空宇航科学与技术 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:导弹、空投鱼雷及火箭助飞鱼雷等武器在攻击水下目标的过程中都要经历入水过程。弹体在入水过程中位于一个包裹住弹体的空泡内,只有头部与水接触,水下流体动力的微小扰动就会对弹体的弹道及姿态造成影响并引起弹体运动失稳。弹体入水初期带空泡航行阶段的末参数将作为全沾湿航行阶段的初始参数,为保证弹体完全入水后仍然具有满意的弹道特性,对弹体入水初期带空泡航行阶段的弹道稳定性及空泡特性的研究就显得很有必要。
  本文首先基于动量定理及动量矩定理建立了弹体入水初期带空泡航行阶段的六自由度弹道方程,在确定作用在弹体上的流体动力后可以用来预测弹体入水后的弹道,并对作用在弹体上的外力进行了分析研究。其次,利用高速相机记录了四种典型头型的柱状弹体在不同初始条件下的入水过程,通过对图像数据的处理获得了弹体的速度衰减、弹体质心的横向偏移、弹体姿态角的变化以及入水空泡的发展过程随弹体头型、弹体入水初速和弹体入水角的变化规律。基于实验结果和仿真分析研究了弹体在带空泡航行阶段瞬时阻力系数随时间的变化规律以及入水瞬间在水下产生的初始冲击脉冲的衰减规律。最后对入水空泡的闭合机制进行了分析研究,分别基于能量守恒定理和势流理论建立了入水空泡的扩展模型,研究了极端的情况下空泡的扩展、空泡壁的运动及空泡的深闭合等特性。虽然采取了极端的条件,但研究方法具有通用性且也能表示空泡的一般特性。
  本文得到的结果可以加深对弹体高速入水过程中弹体的运动过程及空泡扩展规律的理解,为研究弹体高速入水后带空泡航行阶段的弹道特性提供一定的实验支持和理论指导。
[硕士论文] 刘小燕
计算数学 上海交通大学 2016(学位年度)
摘要:鱼雷是现代战争中重要的水中作战武器,鱼雷总体设计的优良直接决定了鱼雷在实际应用中的性能。鱼雷一般由控制、自导、动力、线导、引信、供电、战斗、推进等系统组成,各个系统之间通过耦合方式连接。由于系统过于复杂,导致鱼雷总体设计研究困难重重。在之前的鱼雷优化设计研究中,往往先将鱼雷拆分成独立的子系统,然后再对鱼雷的子系统进行单独优化,这种研究方法降低了鱼雷优化的难度,但是得到的结果往往不是全局最优。近年来,借助于计算机仿真技术及鱼雷整体仿真技术的发展,鱼雷总体设计正逐步成为新的研究热点与难点。本文就是研究在全弹道鱼雷仿真基础上的鱼雷整体优化问题。可是,由于鱼雷仿真系统包含雷体运动学动力模型、自导检测概率模型、弹道模型、目标运行模型等众多组成部分,高维、强非线性、无表达式、系统不光滑、计算时间过长等因素为在此基础上的优化设计带来了极大的挑战。针对这一困难问题,本文作了如下研究工作。
  (1)首先,我们面对的鱼雷仿真模型问题是一个7维的、强非线性、系统不光滑,无表示式、仿真时间长的黑箱问题。针对这一复杂的优化问题,我们选用具有不受函数可导或连续的约束、只运用函数本身的数值进行寻优、能快速收敛到全局近似最优解、且易推广到多目标等特点的遗传算法进行优化求解。在种群大小为10,迭代次数为20,初始的最优个体为0.41,经过近20个小时的运算,运算的最优结果为0.3455,最终得到了一个实践上可接受的结果。另外,我们将遗传算法推广到多目标问题,在耗时约21个小时的计算,最后得到了两组Pareto解集。
  (2)为了进一步克服鱼雷总体设计模型仿真时间太长,导致整个求解时间过长的问题,我们采用空间映射算法对鱼雷总体设计模型的进行优化求解,通过建立粗糙模型,将搜索中鱼雷仿真的工作转移到快速的粗糙模型上。为了建立良好的粗糙模型,我们首先对鱼雷仿真模型进行分析,通过采样对鱼雷总体设计模型进行了降维处理;运用样本的重复率了解模型的极值点分布情况;最后对样本进行改进,并在此基础上运用神经网络建立了一个较好的粗糙模型。
  (3)最后,在建立好粗糙模型的基础上,运用空间映射算法对鱼雷总体多学科模型进行优化,优化时间减少为24分钟,最后优化的结果为0.3436,相比遗传算法耗时20个小时得到最优解,可以说,空间映射算法能够在时间较短的情况下,得到了一个还不错的优化结果。
[硕士论文] 厉尚书
兵器工程 中北大学 2015(学位年度)
摘要:鱼雷入水是气体、液体以及固体三者相互作用的一个复杂物理过程,在鱼雷撞水瞬间会产生高强度冲击载荷,对鱼雷壳体以及内部零部件产生很大的负面影响,最严重的后果是使鱼雷系统丧失作战能力。本文针对空投鱼雷入水过程进行数值模拟,将入水角度设定为垂直入水,对鱼雷入水初期影响受力的因素进行讨论分析,为鱼雷总体结构设计提供参考。
  本文首先叙述了鱼雷和鱼雷入水问题的发展现状;然后对空投鱼雷的结构和材料特性进行分析,对比空投型MU90鱼雷和MK60声自导鱼雷的特性;应用相似理论将鱼雷进行等比例缩放,通过非线性有限元软件AUTODYN对缩比模型进行数值仿真,实现了鱼雷入水过程四个阶段的模拟;对初期鱼雷入水冲击各影响因素进行分析,分析结果表明:(1)对于数值模拟的三种金属材料(钛合金、铝合金、合金钢)鱼雷壳体,钛合金壳体材料表现出良好的力学性能。在入水速度均为20m/s条件下,仅钛合金鱼雷壳体没有发生不可逆性形变,得出钛合金作为鱼雷壳体材料的有效性。(2)针对三种鱼雷头部形状进行的数值模拟结果表明:平底型鱼雷受入水冲击载荷最大,截锥型鱼雷次之,圆锥型鱼雷最小。(3)当鱼雷入水速度越高,鱼雷所受入水冲击载荷就越大,应力波在鱼雷结构体中传播速度越快。当冲击载荷超过壳体材料的屈服极限时,鱼雷壳体发生不可逆变形,鱼雷内部零部件所受冲击载荷变大。
[硕士论文] 孙嘉隆
电气工程 哈尔滨工业大学 2015(学位年度)
摘要:过载开关是火箭助飞鱼雷的专用部件,用于鱼雷入水后与减速伞分离控制。其功能是敏感和判断过载加速度,在入水时输出控制信号闭合开关触点,从而保证击发式热电池与减速伞分离用助力器接通,实施分离抛伞。目前,尚无专为鱼雷配套的过载开关,本文根据某新型鱼雷的需求,开展了过载开关的研制,研制的产品能够满足所配套型号的要求。
  首先,对过载开关所配套的型号的入水过程进行了分析,其由空中飞行阶段转为水下航行阶段的过程为过载开关的工作全程,经过对过载开关所配套型号的入水加速度特性分析,可将加速度信号中的高频部分滤除,来得到冲击过载,同时去除振动及电噪声干扰。结合过载开关的技术指标要求及过载开关所配套型号的入水特性,对过载开关进行了总体设计,确定了工作时序,对过载持续时间以及加速度阈值进行了研究,同时完成了过载开关的结构设计。
  然后,将过载开关的技术指标要求细化到各单元中,包括过载控制单元、输出单元、供电单元和接口四个部分;分别对过载控制单元、输出单元、供电单元和接口进行详细的硬件电路设计;根据过载开关要实现的功能,进行了软件设计,所设计软件通过了软件测试。
  为了分析过载开关的设计是否符合环境指标要求,对过载开关结构设计中的薄壁结构进行了加速度与冲击仿真,仿真结果表明过载开关的结构设计能够满足其力学环境指标要求。同时,对过载开关的可靠性进行了分析,包括故障模式影响及危害度分析(FMEA)与可靠性预计;根据可靠性分析结果,对过载开关电路进行了改进;改进后的电路采用元器件应力分析预计法进行了可靠性预计,预计结果为0.9999,满足可靠性指标要求。
  最后,对过载开关进行了小批量的试制,从零部件的生产,产品装配、筛选、检验、用户使用等方面对过载开关的技术指标进行了全面验证,并且就过程中的积累数据进行了可靠性评估,评估结果为0.996 ,达到了技术指标要求。
[硕士论文] 俞阳
电子与通信工程 重庆大学 2015(学位年度)
摘要:在安全防务中,火箭扮演了重要的角色。影响火箭发射性能的原因有多种,如不平衡因素、发射推力偏心以及火箭发射时发射装置产生的起始扰动等,以上因素会对非制导火箭的飞行轨迹、命中精度和密集度造成严重影响,甚至会导致战斗力下降。其中,发射装置起始扰动是影响火箭性能的主要原因。在火箭发射过程中产生的大推力、强冲击(振动)、高温高压、浓烟粉、强气浪等一系列因素都会引发发射装置的起始扰动。对于具有制导功能的火箭,可以在自身飞行过程中调整姿态来减小发射扰动的影响。但对于大多数没有制导功能的火箭,发射扰动对其发射性能的影响非常大。当今世界各国为了达到不同的战略目标,依然配备着大量非制导火箭。为了更好地研究发射装置扰动对火箭发射精度和密集度的影响,需要对火箭发射时受到的起始扰动进行动态测试和研究,为针对实际发射环境下的火箭发射装置的抗扰动研究提供参考。
  论文根据火箭发射装置的扰动特点,结合构建的空间六自由度运动模型,利用数控系统建立一套地面火箭动态测试控制系统,以模拟火箭发射装置在实际发射过程中产生的扰动现象,并动态测试火箭在扰动中位姿的变化,为研究发射装置扰动的六自由度衰减规律及其对火箭离箱姿态的影响提供实验依据。
  论文根据火箭动态测试控制系统的机械结构及功能,在功能及需求分析的基础上,根据选定的运动机构,对火箭动态测试控制系统总体方案进行了设计,并完成数控系统选型,以西门子SINUMERIK840D数控系统作为火箭动态测试控制系统的控制核心,S7-300 PLC辅助实现逻辑控制,结合其他数控外围模块,完成火箭动态测试控制系统的硬件、电气布局及布线设计,并完成PLC硬件组态设计,PLC控制软件设计、数控系统驱动配置以及驱动系统的优化设计、安装调试等工作。经过实际运行与测试表明,设计完全满足火箭动态测试系统的控制功能要求,可确保整个系统正常运行。
[硕士论文] 徐驰
控制工程 南京理工大学 2015(学位年度)
摘要:本文基于电磁流体控制理论,结合数字信号处理技术和开关电源技术,设计用于流体边界层控制实验的电磁力控制系统。并在中型实验水池中进行鱼雷模型电磁减阻控制实验。文章包括两大部分。
  第一部分为湍流边界层电磁力控制系统。文章分析了展向电磁力减小摩擦阻力机理,确定由控制电源和电磁激活板组成的电磁力控制系统方案。分析实验指标,设计基于DSP2812的控制电源,从软硬件角度具体阐述了控制电源设计方法和要点;分析电磁激活板设计方法,以鱼雷模型为对象设计了与之配套的电磁激活板。
  第二部分为鱼雷模型边界层控制减阻实验。实验鱼雷模型长1m,直径0.1m,头部为半球结构,尾部为椎体结构。将电磁激活板包裹在鱼雷模型表面浸入实验水池中,由伺服拖车拖曳鱼雷模型进行对比实验。在鱼雷表面施加展向周期性变化的电磁力,通过应变天平测量鱼雷航行阻力。实验研究表明:
  当鱼雷模型航速为0.5m/s时,所以对激活板施加5V、7V电压,产生的展向电磁力没有使鱼雷减阻。分析原因为在该工况下,鱼雷模型流体边界层为层流状态,而在层流状态下,电磁力不具有减阻效果。
  当鱼雷航行速度提高到1m/s时,较高的速度和振动作用使鱼雷模型边界层进入湍流状态。在鱼雷模型表面施加展向电磁力,激活板电极电压加到7V,电流为1.5A,频率4HZ,鱼雷模型获得很好的减阻效果,平均减阻率约为17.47%。
  研究表明,展向电磁力对湍流模式下回转体具有减阻控制作用,本文设计的电磁力控制系统适用于流体边界层电磁力控制实验。
[硕士论文] 周啸
机械设计及理论 南京理工大学 2015(学位年度)
摘要:弹道修正弹以其低成本、高精度受到世界各国的广泛关注。一维修正技术已基本趋向成熟,目前各国正在大力发展二维修正技术,舵机以其良好的修正能力和控制特性正逐渐成为各国研究的重点。
  本文以120mm迫弹为研究背景,主要针对舵机的结构和控制系统两部分进行研究。根据设计指标和工作原理,提出一种提前1/4T进行修正的策略。设计舵面和翼型,并计算气动力,为电机的选择提供依据。设计3K(Ⅱ)型行星齿轮传动装置和空间连杆(RSSR机构)相结合的电动舵机,计算3K(Ⅱ)型行星齿轮的传动比和效率,确定3K(Ⅱ)型行星齿轮传动中各齿轮的几何参数,理论校核各齿轮的强度,并设计RSSR空间曲柄摇杆机构作为电动舵机的执行机构。在SolidWorks中建立电动舵机的三维模型,利用ADAMS对其进行运动学分析。对模型的关键部件进行有限元强度分析和模态分析。根据工作要求,确定电机的输出转矩与功率。采用反电动势法实现对无位置传感器无刷直流电机的控制,设计基于PID调速原理的双闭环控制系统,并针对此系统模型进行Simulink仿真。选用TMS320F2812芯片作为控制系统的核心,设计控制系统的硬件电路,并对部分控制程序进行编程。
[硕士论文] 杨一方
兵器工程 南京理工大学 2015(学位年度)
摘要:自二次世界大战以来水下爆炸相关问题一直是各海洋强国研究的重点,我国对这方面问题的研究起步较晚。对海洋装备抗冲击性的研究最初多以炸药水下爆炸冲击实验为主,由于实验成本极其高昂,相关研究因此受到很大阻碍,伴随着计算机技术的飞速发展,采用计算机技术研究水下爆炸相关问题成为主流方向。由于西方国家对我国禁用研究水下爆炸关键问题的软件,仍然需要采用实验手段对其进行研究。目前已有国内外学者提出了在实验室条件下模拟水下爆炸冲击载荷的实验方法,该方法相对传统实验方法有着操作简单,费用低廉,可重复性强,耗时短等明显的优点。
  为了深入研究水下爆炸冲击载荷的相关问题,首先对有关水下爆炸冲击波传播理论进行研究。采用数值仿真的方法来模拟水下爆炸的过程,将实验结果与理论结果进行对比,以验证数值仿真方法的正确性。
  基于应力波理论、水声学原理以及动量守恒定律对水下爆炸载荷等效加载方法的原理进行分析,依据不同理论推导出不同的理论模型用以描述等效加载方法的整个工作原理与工作过程。采用ANSYS/LS-DYNA软件对等效加载的整个过程进行数值模拟,将数值仿真结果与理论模型分析结果进行对比,以验证理论模型的正确性。分析结果表明,由应力波传播理论推导所得的理论模型仍需改进,由动量守恒定律推导所得出的结论能够很好地描述等效加载方法。
  基于所提出的水下爆炸冲击载荷等效加载方法,综合考虑已有的实验条件,在弹道枪平台上设计出了一套简易的等效冲击加载实验装置,并进行了等效加载试验。基于ANSYS/LS-DYNA软件对该等效加载冲击试验过程进行了模拟计算,并将模拟计算结果与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,两者所得结果吻合较好,证实了该等效实验方法的可行性。
  本文所做的工作为水下爆炸冲击载荷等效加载方面的研究提供理论与实践资料,为该方面工作的研究提供了参考。
[博士论文] 鄢伟安
兵器科学与技术 西北工业大学 2014(学位年度)
摘要:鱼雷具有长期贮存、一次使用的特点,从制造出厂到投入使用或报废的全寿命周期中,绝大部分时间处于贮存状态,鱼雷贮存可靠性已经成为鱼雷武器装备的关键性能指标之一。
  传统的可靠性理论依据失效数据对产品进行可靠性分析,然而,对于鱼雷武器装备而言,很多部件在允许的时间内很难获取足够的失效数据,甚至无失效发生。此时,基于传统的可靠性理论进行分析难以获得有效的结果。随着对产品失效机理研究的不断深入,事实上许多产品的失效是性能逐渐退化引起的,产品的性能退化过程包含了大量的可靠性信息,不论其失效与否,我们都可以根据不同检测时刻的性能退化数据有效分析产品的可靠性。因此,充分利用性能退化信息为鱼雷贮存可靠性分析提供了新的途径。本文探索应用性能退化理论对鱼雷进行贮存可靠性分析,研究和建立一套系统、实用的鱼雷贮存退化模型及分析方法,获得了如下一些创新性研究成果:
  (1)基于鱼雷贮存工程背景,建立鱼雷单调和非单调部件进行模型并进行有效分析。
  首先,对鱼雷贮存状态监测测量、贮存可靠性特点及影响鱼雷贮存可靠性因素进行了分析,给出鱼雷系统贮存可靠性分析流程;然后,详细对鱼雷性能退化部件进行建模研究,给出性能退化分析步骤,并对单调退化部件和非单调退化部件分别进行建模;最后,通过实例对比分析,说明基于性能退化评估方法比基于失效数据评估可信度更高。
  (2)创新性引入非对称损失函数合理衡量鱼雷不同部件对系统风险影响不同的实际情形,并进行实时评估。
  鱼雷不同部件对系统影响程度不同,不同部件贮存可靠性的过高估计和过低估计对系统造成的风险并不完全相同。鉴于此,创新性引入非对称Linex损失函数,对过高估计和过低估计造成的损失加以区分,灵活处理,避免了平方损失下过高估计和过低估计效果完全等价的情形,更加符合鱼雷部件贮存中的实际情形。同时,结合贝叶斯理论,分别在无信息先验和有信息先验两种情形下进行实时评估,有效提高了鱼雷部件的贮存可靠性评估效果。
  (3)研究并建立了具有检测误差及模糊阈值的鱼雷部件贮存可靠性模型,进一步通过对比研究,给出有效的评估方法。
  由于传感器在检测其性能退化数据的过程中,容易受到环境噪声及各种扰动等非理想测量因素的影响,检测所得数据不可避免地存在测量误差。另外,某些部件工作状态的正常或不正常,在外延上难以定义明确的界限,具有模糊性。本文针对这两种情形进行了综合考虑,建立了具有检测误差及模糊阈值的鱼雷贮存可靠性模型。在此基础之上,提出基于Genz变换的拟蒙特卡洛方法对模型参数及可靠度进行估计,有效提高了可靠性评估效果。
  (4)研究并建立了两阶段鱼雷部件性能退化过程模型并给出有效的评估方法。
  鱼雷在贮存过程中,由于外界环境的变化以及内部机制的变动,一些部件的退化过程会呈现出两阶段甚至多阶段的退化现象。针对此种退化情形,本文充分融合第一阶段退化信息,建立两阶段性能退化过程模型,更加有效准确的对鱼雷退化部件进行建模。同时,以逆高斯过程为例,结合贝叶斯理论,给出模型实时参数及可靠性的贝叶斯估计。并基于Schwarz信息准则和残差平方和最小准则确定变点的估计。
  (5)研究并建立多元相依退化与突发竞争失效模型并提出有效的评估方法
  鱼雷系统复杂,部件多样,有些关键部件(如电池组等)不仅存在多元性能退化特征,而且也具有突发失效模式,且各退化特征之间、退化与突发失效之间都存在一定的相关性。本文运用Copula函数建立性能退化特征之间的多元相依过程关系,并综合考虑冲击损伤与性能退化之间的相依关系,建立多元相依退化与突发竞争失效模型;进一步,运用两种方法对模型参数及可靠性进行估计,并模拟比较不同方法的优劣。
[硕士论文] 赵鉴
控制科学与工程 西安电子科技大学 2014(学位年度)
摘要:鱼雷是一种重要的水中兵器,它与其它雷弹最大的不同在于试验和训练的反复使用。因此,鱼雷的回收定位技术十分重要,要求定位精度高,定位速度快,定位实时性好。而传统的基于信号弹的鱼雷定位系统达不到以上要求。为此,本文将北斗导航定位技术应用于鱼雷定位系统中,设计并实现了基于北斗的鱼雷定位系统。
  为了解决北斗定位系统运用于鱼雷的问题,本文进行了方案选择、总体设计、各分组件详细设计等工作。利用现有成熟技术,结合鱼雷实际,对北斗天线、浮翼、控制模块等进行了重新设计,解决了北斗定位系统应用于鱼雷的实现问题,研制出了一款能够应用于鱼雷的北斗定位系统。
  随后,通过进行计算机仿真、陆地试验和搭载实验测试,验证了设计的有效性。细致检验了基于北斗的鱼雷定位系统定位准确性,工作可靠性,环境适应性和海上适应能力。针对各种试验过程定位系统出现的问题,本文都找到了解决的措施,从中取得了一系列的科研成果。随着解决措施的落实,基于北斗的鱼雷定位系统达到了设计和使用要求,完全满足鱼雷海上的使用环境
  最后的试验和验证表明研制的基于北斗的鱼雷定位系统的性能达到了所有要求,可以满足我国鱼雷试验和训练的需要,对于提高鱼雷的回收可靠性和技术水平有着重要的应用价值。
[博士论文] 李斌茂
兵器科学与技术 西北工业大学 2014(学位年度)
摘要:随着现代海战对武器装备要求的不断提高,鱼雷发动机设计中涉及到的学科及不同的学科分析技术也不断增加,特别是鱼雷热动力发动机的设计优化中,各学科自身繁重的学科分析及学科间的耦合,使得产品的设计工作更加复杂,串行设计方法及一体化设计方法由于自身的不足,越来越无法适应日益复杂的发动机系统的设计工作。本文正是针对这一应用背景而进行研究的。本文通过构造鱼雷热动力发动机整体设计框架及耦合因素的分析,基于系统论与并行思想,在国内首次对鱼雷发动机的多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)方法与应用进行了较为系统的研究。研究主要集中在鱼雷热动力发动机学科分析理论与方法的应用、热动力发动机多学科划分及耦合因素分析、多学科解耦-重构策略以及在发动机设计的工程实践中如何运用多学科设计技术等方面,以期能为鱼雷热动力发动机多学科设计优化研究在理论研究及工程实践阶段的发展提供思路与参考。
  本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面:
  (1)从鱼雷热动力发动机整体设计的角度出发,讨论其学科设计组成,根据学科间耦合关系和整体设计过程,构建了热力发动机整体设计框架;将费效比、风险及研制周期、可靠性引入到发动机综合设计中,建立了相应的分析框架与模型,使发动机设计与分析更全面合理;基于各学科相关分析理论与方法,进行了动力学、模态、转子不平衡响应、温度场及应力场、临界转速、周转斜盘发动机模糊故障树等的分析计算。为实现鱼雷热力发动机多学科设计优化奠定了基础。
  (2)研究了鱼雷热动力发动机设计的多学科划分方法及其在发动机MDO中的应用,分析了学科间耦合因素;分别基于多学科可行性法(Multidisciplinary Feasible method,MDF)、协同优化法(Collaborative Optimization,CO)、子空间近似法(Subspace Approximation Optimization method,SAO)、响应面的并行子空间优化法(Concurrent Subspace Optimization,CSSO)建立了发动机设计优化问题相应的解耦-重构框架及数学模型;研究了鱼雷发动机设计中多目标问题的MDO方法:第一种是将多目标转化为单目标,然后使用如MDF法、SAO法或基于博弈论的解耦与重构等策略建立MDO模型进行多学科设计优化,第二种方式是基于准可分原理与ATC法建立MDO模型进行多学科设计优化,第三种方式是基于协同遗传进化及Pareto的解耦与重构进行多学科设计优化。为鱼雷发动机MDO提供了理论基础。
  (3)提出了基于最优模糊满意度的ATC框架;提出了基于近似一致性约束边界的ATC框架;构建了非层级系统的ATC框架;提出了ATC-SAO系统解耦与重构策略。考虑到变量的不确定性,将模糊满意度引入 ATC法中,以最优模糊满意度代替子学科的优化目标,用水平截集对模糊约束与常规约束进行转化,构建了基于最优模糊满意度的ATC框架。将近似技术引入ATC法中,利用一致性约束边界的切平面近似该边界,得到了近似一致性约束边界的ATC框架,提高了系统收敛精度和效率。构建了非层级系统的ATC框架,使ATC法的应用拓展到非层级系统中。根据ATC法与近似子空间法各自特点,将两者结合构建了ATC-SAO的系统解耦与重构策略,能更好地适应发动机的实际设计环境。
  (4)研究了鱼雷发动机设计优化的MDO应用。研究了鱼雷热动力发动机学科分析软件及程序的iSIGHT集成方法,并基于此搭建可自动进行计算迭代的相关多学科设计软件框架;结合响应面近似技术和实验设计方法,采用不同MDO解耦-重构策略,以摆盘式发动机为例,分别对发动机整体、活塞零件、活塞-连杆部件、热力过程及费用最小的可靠性最优分配进行了多学科设计优化平台构建及优化计算,在验证MDO优化策略有效性及可行性的同时,为鱼雷发动机多学科设计优化理论在工程实践中的实现提供了新的思路和方法。优化结果表明,文中所提出的各种方法能够大大降低学科分析的计算复杂性,改善信息交换的复杂性,从而有效支持产品的设计优化,具有理论研究意义和实际应用价值,为鱼雷发动机的多学科设计优化研究奠定了基础。
[博士论文] 李通旭
兵器科学与技术 西北工业大学 2014(学位年度)
摘要:我国近海区和港口以泥沙底为主,沉底水雷布防一段时间后,容易出现被泥沙等沉积物掩埋的现象。掩埋降低了声引信工作频带内的能量,使得沉底水雷对目标的检测性能下降,打击区域性控制下降甚至失效。论文在这样的背景下,通过研究泥沙等海底沉积物的声学性质,重点建立了掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型,评估了掩埋条件下水雷的声引信性能,提出了抗掩埋沉底水雷声引信关键技术,解决因掩埋而引起的沉底水雷检测性能下降和区域性控制问题,降低掩埋对声引信性能的影响,提高掩埋条件下水雷对目标的探测性能。
  论文主要的研究成果和创新点如下:
  一、提出了一种改进的Biot-Stoll声衰减模型参数估计方法,以克服利用Kozeny-Carman方程估计泥沙海底模型参数存在较大估计偏差的问题,在简化模型参数计算的同时,优化了渗透率和孔隙尺度的估计经验公式,减小了渗透率和孔隙尺度的估计偏差,改进后的模型参数估计方法能更准确地预测泥沙掩埋水雷的声传播衰减特性。
  二、针对单层结构海底,建立了掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度中的声衰减模型,定义并推导了该模型的海底界面声透射损失和声传播损失,同时在该模型下利用改进后的声衰减模型参数分别预测了掩埋水雷在粗沙、沙质泥和粘土质泥三种典型海底中的声衰减;针对多分层结构海底,建立了掩埋水雷在多分层海底的声衰减模型。最后,通过湖上试验对单层结构海底的掩埋水雷声衰减模型进行了验证,试验结果验证了该模型的正确性及良好的声衰减预测性能。
  三、在水雷兵器领域提出了典型底质和不同深度掩埋条件下的声引信性能变化的评估方法,利用建立的掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型,分析了掩埋对目标检测性能的影响。研究表明,掩埋降低了声引信工作频带内的能量及水雷对目标的检测性能,掩埋条件下能量衰减随频率的升高呈线性增大关系。
  四、基于建立的掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型,提出了计算掩埋水雷声引信工作频带内能量损失的方法。预测了粗沙、沙质泥和粘土质泥在10Hz~5kHz信号频段内的掩埋能量损失。研究表明,在相同的掩埋深度条件下,粗沙海底对声信号的影响最大,粘土质泥海底对声信号的影响最小,随着海底底质平均颗粒直径的减小和孔隙度的增加,掩埋对声信号的影响有逐渐减小的趋势。
  五、提出了抗掩埋沉底水雷被动声引信系统方案,通过应用矢量水听器,降低引信工作频带,减小了掩埋对声信号的影响。方案中为解决因掩埋而引出的沉底水雷区域性控制难题,提出了基于矢量水听器的目标方位估计和基于姿态角传感器的目标方位修正两个关键技术。通过姿态角传感器获得沉底水雷的姿态变化信息,用后置信号处理的方式,对在沉底水雷平台坐标系下估计出的目标方位进行修正,实现了沉底水雷平台坐标系下目标方位与大地坐标系下目标方位之间的转换。
[博士论文] 焦俊杰
兵器科学与技术 南京理工大学 2014(学位年度)
摘要:尾流自导鱼雷具有很好的抗干扰能力和较高的导引精度,命中率高,毁伤效果好。但是目前对尾流自导鱼雷缺乏有效的防御措施,发展尾流自导鱼雷防御技术迫在眉睫。在现有的防御尾流自导鱼雷的方法中,有一种消隐舰船尾流的方法,它以超声场中气泡的运动和融合作为基本理论基础,即利用超声能量使舰船尾流中气泡的大小、分布和密度发生改变,从而达到消除或者减少尾流自导鱼雷对舰船尾流可探性测特征的目的。本文在此基础上,采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,围绕超声作用下气泡的运动,不同参数对气泡之间的次Bjerknes力的影响,以及超声场中气泡的融合理论进行研究,具体内容包括:
  1、当超声频率为22.4kHz,超声声压为10kPa-40kPa时,对气泡在超声场中的运动进行了试验研究。结果表明当气泡相距较远时,气泡之间的相对位置变化比较小;当气泡相距较近时,气泡之间的相对位置变化比较大。用两个气泡之间的相对加速度间接衡量气泡之间的次Bjerknes力,得到气泡之间的次Bjerknes力有一个作用距离阈值,即当气泡之间的距离小于一定程度时,气泡之间的次Bjerknes力才会发挥作用,而且当两个气泡的半径都小于共振频率半径时,气泡之间的作用距离阈值会随着超声声压的增大而增大。对两个气泡在不同频率20kHz-100kHz作用下的运动做了试验研究,结果表明:在不同的超声频率下,气泡的运动明显不同,频率比较高时,气泡之间的相对位置变化比较大,并且气泡的运动与两个气泡的半径和气泡之间的相对距离密切相关。对在超声声压为10kPa-120kPa,超声频率为20kHz-100kHz时,气泡融合的试验研究表明:在超声声压为30kPa时,气泡接触以后的形状和气泡之间的薄膜间隙变化不明显,而在超声声压为120kPa时,气泡的形状变化特别明显,尤其是可以明显的观察到气泡之间薄膜间隙的变化。另外,在超声频率比较低时,气泡接触以后,气泡之间相对位置几乎不发生变化,但是在高频率时,气泡之间相对位置会围绕两个气泡的中心而发生旋转。
  2、采用耦合的气泡振动和移动方程对超声场中气泡的运动进行了数值模拟,得到两个气泡在超声场中的运动轨迹,并对气泡运动过程中所受的力进行了分析。当气泡之间的距离比较远时,浮力和主Bjerknes力占主导作用;当气泡之间的距离比较小时,次Bjerknes力将发挥比较大的作用。研究了超声声压、超声频率、气泡的初始半径以及气泡之间的距离对气泡之间的次Bjerknes力的影响。当两个气泡的半径都小于或者都大于共振频率半径时,气泡之间的次Bjerknes力随着声压的增大而增大;当两个气泡的半径处于共振频率半径之间时,气泡之间的力为排斥力,并且也随着声压的增大而增大;当两个气泡的半径在共振频率半径之间,并且更接近于共振频率半径时,气泡之间的力在声压比较小时为吸引力,随着声压的增大变为排斥力。而超声频率、气泡的初始半径和气泡之间的距离对两个气泡之间的次Bjerknes力的影响没有明显的趋势,同时对上述因素对气泡之间的次Bjerknes力进行理论分析,结果表明上述因素主要通过影响气泡之间的振动相位和振动幅度而引起气泡之间的作用力的变化。
  3、对不同超声声压10kPa-100kPa和不同超声频率20kHz-100kHz作用下从试验中得到的气泡融合时间与在没有超声作用下理论计算时间进行对比分析,结果表明在不同超声声压作用下,气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间,并且两个气泡的融合时间会随着超声声压的增大而增大。而在不同超声频率作用下,气泡的融合时间都远远大于在没有超声作用时的理论计算时间,但是气泡的融合时间与超声频率频率之间没有看出明显的趋势。与在没有超声作用下气泡的融合相似,两个气泡的半径会影响气泡的融合时间,并且两个气泡的融合时间与两个气泡的等效半径成正比。在理论分析的基础上对在超声作用下影响两个气泡的融合两个最重要因素进行分析,结果表明,在不同声压和频率作用下,两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度都会影响气泡的融合,并且两个气泡的融合时间会随着两个气泡之间的次Bjerknes力和两个气泡的最大径向速度增大而增大。超声影响气泡的融合主要原因为当两个气泡振动为同相时,气泡之间的液体薄膜间隙会变薄,而当两个气泡振动为异相时,气泡之间的液体薄膜间隙会变厚,这会破坏气泡的正常排水过程,从而最终影响气泡的融合。
[硕士论文] 黄兴中
火炮、自动武器与弹药工程 中北大学 2014(学位年度)
摘要:潜艇技术的发展对我国国土安全构成了重大威胁,提高对多壳体、多舱室结构的潜艇目标的毁伤效果,是控制制海权、取得战争胜利的关键。本文以提高鱼雷非接触爆炸时对潜艇的毁伤效果为目标,在传统爆破型和普通聚能型鱼雷战斗部的基础上,提出了一种爆—破型鱼雷串联战斗部的设想,利用前级爆炸装药水下爆炸产生的气泡为后级聚能装药形成的爆炸成型弹丸(EFP)提供前进通道,从而保证EFP以较高的速度和较好的外形侵彻潜艇的非耐压壳体,综合利用水下爆炸冲击波、气泡脉动、聚能装药、气泡溃灭等能量,有效提高对目标的毁伤效果,并应用AUTODYN软件对该战斗部进行数值模拟。
  首先研究水下爆炸的相关理论,确定前级爆炸装药的尺寸,数值模拟前级爆炸装药水下爆炸产生气泡的脉动过程,分析影响气泡脉动周期和最大半径的因素;其次研究EFP成型的相关理论,确定后级聚能装药的结构参数,数值模拟EFP的成型过程,对影响EFP成型的曲率半径、罩顶壁厚、顶口壁厚差和装药长径比等主要因素进行分析,优化设计后级聚能装药;最后数值模拟研究水下爆炸、聚能装药、爆—破型串联战斗部对目标的毁伤。
  研究了三种对比情况:一是装药水下非接触爆炸毁伤靶板模拟传统爆破型鱼雷战斗部的毁伤性能,二是EFP侵彻水介质靶板模拟普通聚能型鱼雷战斗部非接触爆炸时的毁伤性能,三是EFP在气泡中飞行然后侵彻靶板模拟此爆—破型串联战斗部的毁伤性能。数值研究表明:非接触爆炸时,传统爆破型和普通聚能鱼雷战斗部毁伤效果不理想,而爆—破型串联鱼雷战斗部能保证后级EFP以较大的速度和良好的外形侵彻潜艇的非耐压壳体,因而有较好的毁伤效果,验证了该设计的优越性。
[博士论文] 马庆鹏
一般力学与力学基础 哈尔滨工业大学 2014(学位年度)
摘要:高速射弹入水过程涉及到穿越自由液面、湍动、相变等复杂的流动现象,具有强瞬时、非线性、高载荷的流动特征,入水过程的空泡形态及流体动力特性受到多种流场参数及射弹结构参数的影响。本文采用理论、实验和数值模拟相结合的方法,对高速射弹入水过程弹道特性、流体动力特性、空泡形态发展规律及空泡流场流动特性进行了系统深入的研究,主要研究内容如下:
  通过低速条件下的球体入水实验,对运动体入水空泡的发展过程及流体的流动规律进行了观察和分析。根据入水过程中空泡形态的变化规律,划分了入水过程的各个阶段,为后文高速射弹入水弹道、空泡流场流动特性的研究奠定了基础。
  分别采用基于能量守恒定律的理论方法及基于求解雷诺时均方程的数值模拟方法,对高速射弹入水空泡的发展规律、深闭合特性以及入水弹道变化规律开展了研究,对研究结果进行对比,证明了数值模拟方法的有效性。进一步采用数值模拟方法,研究和分析了入水空泡的表面闭合特性、空化效应等,获得了入水空泡流场的多相流动分布特性及压力场分布特性,给出了射弹入水过程中的压力载荷变化规律。
  针对初始入水速度、空气域压力及密度等流场参数对高速射弹入水过程的影响开展了数值模拟研究。分析了高速射弹入水弹道、空泡形态随流场参数的变化规律,获得了流场参数对空泡内部的空化效应、空泡表面闭合特性、空泡附近流域压力场及速度场分布的影响规律。
  采用理论与数值模拟相结合的方法,对自由液面处的空泡半径变化规律进行了研究,得到了影响该位置空泡半径的特征参数,不同头型及射弹密度条件下的理论结果与数值模拟结果对比,显示出较好的一致性。进一步通过数值模拟方法,研究了射弹不同头型、密度、后体长度、直径等参数对入水空泡形态发展、空泡扩张规律以及多相流场分布的影响,并给出了上述各参数对射弹头部压力载荷的影响规律。
[硕士论文] 徐本恩
航空宇航推进理论与工程 南昌航空大学 2014(学位年度)
摘要:火箭发动机燃气射流会产生强大的气动噪声,对发射场的工作人员和仪器设备造成不利影响,且不利于武器系统的隐蔽性。本文采用CFD计算射流流场及声场分布的方法,研究火箭发动机燃气射流流场及其所产生的气动噪声场的特性,并计算喷水对燃气射流流场和声场的影响,分别改变喷水角度和喷水与燃气射流的质量流率比,研究改变喷水条件对降噪效果的影响。
  通过对火箭发动机燃气射流流场及其所产生的气动噪声场的计算结果分析可知,火箭发动机燃气射流流出尾喷管之后形成高速的自由射流,产生交替出现的膨胀波与压缩波充斥的流场。湍流的势流核心区内流场压力、温度、速度和马赫数发生剧烈变化,是产生射流噪声的主要声源区;燃气射流远场噪声的声压随时间波动较快,压力幅值变化较大,但相对于流场中的脉动压力小了2~3个数量级;射流噪声峰值主要分布在较窄的频率范围内,超过3000Hz的噪声峰值较小;射流噪声具有指向性,总声压级最大值出现在60°方向,总声压级随距离的增大而减小。
  对燃气射流喷水后,在喷水点下游射流的流场结构发生改变,而喷水点上游的超音速流场受到影响较小。喷水射流垂直于燃气射流轴线的速度分量是影响降噪效果的重要因素,速度分量过小,喷水很难进入势流核心区,对噪声场的影响不大;速度分量过大时,喷水会射穿势流核心区,也会影响降噪效果。喷水后流场中的压力、温度和马赫数都有了明显的下降,远场各接收点处噪声的声压级都有了显著的降低。不同的喷水条件降噪的效果不同,喷水角度在30°~85°范围内均能达到较好的降噪效果,喷水角度为60°时降噪效果最理想;在喷水与燃气质量流率比(MFR)在2.4~5.5范围内时,降噪幅度随MFR的增大而增大。
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