水下火炮燃气后效流场特性研究

目的 研究水下火炮发射过程中炮口燃气后效及其对高速射弹超空化流场的影响。方法 基于CFD软件FLUENT,运用UDF和动网格技术,考虑空化效应,建立水下火炮发射炮口燃气后效多相流数值计算模型。针对1 m水深条件下水下火炮发射炮口后效期运动过程进行数值模拟,获得了炮口气泡发展特性、压力脉动规律,分析炮口气泡对高速射弹空泡发展的影响。结果 炮口气泡经历了膨胀、收缩、拉断等发展历程,在发展初期能够加速射弹运动。射流中心处的压力特性最为复杂,随着远离射流中心,脉动幅值减小。高速射弹入水初期迅速形成超空泡,随后燃气泡与空泡发展融合,高压燃气进入形成的气\汽混合空腔,抑制了空化的发展,运动5倍弹长后,形成闭合空泡。对比火炮水下发射实验验证了仿真模型的准确性,空泡结果与实验一致性较好。结论 水下发射炮口流场复杂,影响高速射弹空泡的发展,同时还会使得火炮平台承受高载荷冲击的威胁,需要采取炮口降载措施。     

计算机模拟小变形的三维应变场及应力场

采用ANSYS结构分析软件,对重轨定径小变形进行了变形物理场分析。通过建立较好的三维重轨有限元模型，分析了在位移载荷下的弹塑性应力、应变和位移分布，结是表明用ANSYS计算分析的结果与实际定径实验的结果相符。     

跨介质航行器高速斜入水跳弹现象研究

目的 揭示跨介质航行器高速入水跳弹行为的机理,提高航行器的突防能力。方法 基于STAR-CCM+流体仿真软件,采用VOF多相流模型以及Schnerr-Sauer空化模型,计算航行器跳弹过程的空化流场,并运用重叠网格技术,耦合六自由度弹道方程,求解航行器的运动特性。利用所建立的计算模型,研究航行器在不同入水速度和角度下的空泡演化、水动力和弹道特性,揭示航行器产生跳弹现象的原因和规律。结果 航行器在小角度高速入水时,水下运动轨迹会发生很大的变化,经历了入水、浸水、出水3个阶段。结论 产生跳弹现象的主要原因是航行器在入水后,头部上下缘以及弹尾两侧受力不均,形成了向上的偏转力矩,使得航行器的俯仰角发生了较大的改变,并且随着航行器的入水速度加快,入水角度减小,跳弹现象越容易产生。     

考虑脉动压力相关性的自由体随机振动分析

目的获得自由体在脉动压力载荷作用下的结构响应。方法采用有限元方法,建立锥壳自由体结构的随机振动分析有限元模型,根据自由体的脉动压力载荷和随机振动分析理论,计算自由体在脉动压力下的加速度响应均方根值。结果载荷为一定程度相关时的计算结果在完全相关和不相关之间,最小相差约15%,最大相差约50%。结论在进行自由体结构脉动压力下的响应分析时,载荷间的相关性是不能忽略的,分区加载可改善计算精度。     

基于ANSYS Workbench的车载天线流固耦合分析

目的检验车载天线在九级风作用下结构是否会发生破坏。方法以车载天线作为研究对象,应用Catia软件建立天线结构的三维模型,利用ANSYS Workbench对天线结构进行流固耦合分析,得到天线在空气流场作用下的气动载荷分布情况。通过耦合面节点差值算法将气动力加载到天线耦合面,对承受气动力的天线进行结构静力学分析,计算天线结构在空气流场作用下的应力分布情况和变形结果。结果车载天线受到侧向风吹压力约为533.8 N,摆幅为186.02 mm;正向风吹压力约为514 N,摆幅为171.6 mm。结论车载天线在20 m/s(九级风)的风载荷作用下,结构不发生破坏,且摆幅不超过200 mm。     

某海域极端环境下15万吨级FPSO波浪荷载数值研究

目的 评估在役15万吨级FPSO在某海域百年一遇极端波浪作用下典型横剖面的水动力特性,进而得到FPSO的极值荷载,作为FPSO返坞改造的关键控制参数。方法 基于国产自主三维频域线性势流软件COMPASS-WALCS,建立15万吨级FPSO湿表面网格模型,根据三维绕射-辐射理论,计算湿表面上的水动力荷载,将每个绕射单元上的水动压力直接映射到结构模型上进行计算。采用谱分析方法对百年一遇海况进行分析,得到短期运动极值响应。对响应幅值算子(RAO)和波能谱密度进行谱分析,得到极端波浪下的响应谱,进而得到浮体运动和波浪荷载短期预报各种统计值,利用统计方法求得短期响应的最大值。结果 计算了船中部Fr143横剖面的载荷极值,即垂向弯矩、垂向剪力、剖面型心加速度等,发现船舶迎浪时弯矩值最大,随着浪向角增大,弯矩值逐渐减小,剖面垂向剪力则随着浪向角增大逐渐增大。结论 FPSO在极端波浪作用下,其大迎浪角条件下荷载更加危险,需要给予格外关注。     

降雨条件下某堆积体饱和-非饱和渗流及稳定性分析

降雨是诱发滑坡的主要因素之一。本文以西南地区某堆积体为例,基于非饱和土力学理论,考虑降雨入渗的影响,利用有限元方法,对持续强降雨条件下该堆积体的饱和-非饱和渗流场动态变化、变形破坏机理及稳定性进行了数值模拟和计算,结果表明:降雨入渗使坡体非饱和区土体的基质吸力减小,是导致堆积体稳定性降低的主要因素;随着降雨的持续,堆积体塑性区的范围及贯通距离增加,稳定系数逐渐降低,使整体失稳滑移的危险增大。     

冲击载荷作用下某型气囊缓冲性能影响研究

目的 研究冲击载荷作用下排气孔面积及初始缓冲时刻对某型气囊缓冲性能的影响.方法 采用MIMICS软件,并结合LS-Prepost软件,建立髋骨-气囊-地面有限元模型,利用LS-DYNA软件对气囊的缓冲过程进行仿真计算,得到缓冲过程中该模型的动力学响应结果.通过分析髋骨模型受力及气囊状态的变化,探讨排气孔面积及初始接触时...     

椭圆变形管道非开挖修复内衬弹性屈曲性能研究

非开挖内衬技术广泛应用于城市地下管网的修复，对于保护城市环境和保障地下管网结构安全具有重要意义。然而原有管道的椭圆变形缺陷会降低新建内衬管的结构稳定性。将几种不同的椭圆变形管道内衬临界屈曲压力计算数学模型进行了对比，分析了现有规范中计算方法的不足，并基于最小势能原理和非线性理论，通过椭圆局部曲率方程推导出内衬的结构势能，建立起原有管道椭圆变形后柔性内衬管在外部静水压力作用下屈曲压力计算的数学模型；通过理论模型计算结果与有限元数值模拟结果进行对比，发现两者计算得到的内衬临界屈曲压力的计算误差基本上在10%以内；分析了不同椭圆度和内衬尺寸比(DR)值对内衬临界屈曲压力的影响规律，并通过与其他计算模型进行对比，验证了本文提出的计算模型在不同DR值内衬设计时的优势。     

入水角度对球体高速入水空泡特性影响研究

目的 针对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性展开研究,为弹体入水或空投鱼雷入水提供理论参考。方法 基于试验与数值模拟,主要讨论入水角度对球体高速入水过程中空泡生成、闭合、溃灭以及运动特性。结果 在球体入水过程中,根据入水空泡的形态特征,可以将入水过程分为入水冲击、空泡形成、空泡闭合和空泡溃灭4个阶段。在入水冲击阶段,球体头部承受的压力最大,且随着入水角度的减小,冲击阶段球体头部压力逐渐减小。在空泡闭合后,空泡的截面面积随着入水角度的增大而减小。在溃灭阶段,由于空泡溃灭夹断,会产生回射流,回射流的强度随着入水角度的减小而减小。在球体入水角度为30°时,溃灭夹断不会产生回射流。此外,球体以不同角度入水时,球体在水下的运动轨迹会发生不同程度的偏离,偏离程度随着入水角度的增大而减小,垂直入水时几乎未发生偏离。结论 入水角度对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性有较大影响,入水角度越小,球体入水后空泡截面积越大,总流动阻力系数Cd越大,且球体运动轨迹偏离越严重。     

基于锡合金的水下机器人密封自修复系统设计

目的 解决水下机器人推进器密封系统在驱动电机轴高速旋转和高水压情况下,密封件易磨损失效导致发生漏水故障的问题。方法 利用余度设计思想,在原有密封结构的基础上,设计一种基于锡合金的水下机器人密封自修复系统,当原有密封结构失效漏水,密封自修复系统便控制限位锡合金块加热至融化,使锡合金块的限位作用消失,进而释放冗余密封圈,并通过拉簧的作用将冗余密封圈推至密封槽内,从而恢复推进器的密封功能。为验证设计的可靠性,又通过有限元软件ANSYS对密封自修复结构中影响密封性能的关键部件进行静力学分析。结果 关键部件的强度仿真结果均满足设计要求,在密封自修复实验装置箱体内注适量水,并施加2 MPa的水压保持一段时间,密封自修复系统成功启动,且其密封性能传感器未检测到其漏水。结论 密封自修复系统可在漏水的情况下顺利启动,并起到密封的作用,验证了设计的可行性。     

汽车整车结构侧面耐撞性有限元数值模拟

目的研究汽车结构侧面主要承载部件的耐撞性,参考我国碰撞法规和ECE R95,根据国内某SUV汽车的参数和相关标准建立整车有限元模型和移动可变形壁障模型(MDB),对其进行数值模拟,为结构的优化设计提供参考。方法利用Hyper Mesh前处理将CAD模型转化为CAE有限元模型,输出k文件,并通过LS-DYNA大变形有限元仿真软件对其耐撞性进行计算。结果仿真结果显示,在汽车侧面碰撞过程中,B柱和车门等主要承载部件发生了较大的变形,B柱变形量为116.6 mm,车门的变形量为190 mm,其值符合标准要求,在碰撞结束后保证了足够的乘员空间。结论该车有较好的侧面耐撞性,且得出的碰撞数值模拟结果可为该车的结构设计提供参考。     

海洋环境水下电场时频特征分析

目的掌握海洋环境水下电场主要能量来源和衰减规律。方法结合理论研究环境电场幅值随时间的变化规律,重点分析水下环境电场不同频带的频谱分布,最后计算得到海洋环境水下电场不同频点的幅值在整个频带所占比重。结果海洋环境水下电场随海水电导率和海水运动强度的减弱,幅值降低,能量主要集中在0.01~1 Hz的低频以及工频处,在一定的空间范围内海洋环境水下电场的一致性较强。结论实验结果与理论分析结果具有一定的吻合度。     

基于蒙特卡洛法的曲轴结构优化分析

目的:为减轻曲轴质量,对16缸V型柴油机的曲轴进行结构优化。方法:首先,按照柴油机真实的工作环境对曲轴单个曲柄的有限元模型进行边界条件和力的加载,求解获得最大应力及最大位移的数值及位置;然后,建立垂直曲柄中心截面的2D有限元模型,在等效加载的情况下应用ANSYS计算最大应力及位移,计算结果同三维模型进行比较,证明2D截面网格的计算合理性;最后,运用ANSYS PDS模块,基于蒙特卡洛抽样方法,对单位曲柄进行主要尺寸优化。结果:主轴颈直径150 mm、曲柄销直径125 mm、圆角半径4.5 mm时单曲柄质量降低3.37 kg,整个曲轴质量降低26.99 kg,到达优化的目的。结论:证明了二维模型替代三维模型的合理性以及运用蒙特卡洛法进行结构优化的可行性,为今后的曲轴优化提供了参考。     

基于FMECA的某自动步枪发射机构可靠性分析

目的 分析某自动步枪发射机构的可靠性。方法 用故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法对自动武器发射机构进行危害度分析,通过参考GJB 450A和GJB 1391制定危害程度的评判参考标准,列举出故障,并对故障的危害程度进行评分,找出危害影响最严重的故障优先进行可靠性分析。再通过三维建模软件和动力学分析软件对发射机构进行动力学仿真,将动力学仿真得到的结果导入有限元仿真软件,通过力学分析得到零部件的最大应力,运用应力–强度干涉理论求出可靠度。最后给出严重故障的可靠度分析。结果 在FMECA分析综合评分后,得出某自动步枪发射机构最严重的故障模式是超越保险异常击发。通过ADAMS仿真进行受力分析,发射机构中受力最大的零件为单发阻铁和击锤,使用应力–强度干涉理论进行可靠度计算,计算得到单发阻铁的基础可靠性为99.952%,击锤的基础可靠性为99.955%,发射机构的基础可靠度为99.907%。结论 发射机构的基础可靠度非常高,因此影响发射机构可靠度的因素主要是机构运动不可靠。在自动武器非正常操作时,将导致零部件位置异常,从而出现任务不可靠。可以通过改进零部件的方法防止故障发生,提高发射机构的任务可靠度。     

海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验

目的提高海洋滑翔机浮力调节系统的可靠性,进一步降低系统功耗,设计气压与液压结合的低功耗浮力调节系统。方法基于理论分析确定系统的体积控制量,设计气压调节模块以保证高压油泵的正常工作与回油的顺利进行。利用有限元方法分析承压管路的可靠性,通过实验测试,验证浮力系统的响应性能。结果浮力系统的排油效率随着外压的增大而减小,2MPa的压力会使出油率降低3%左右,同时功耗增加50%左右。在大气压力环境下,依靠系统内负压,400 s即可完成回油600 mL,完成上浮到下潜的转换。结论设计的浮力调节系统的气压调节装置能以较低的功耗保障主泵的正常工作,同时保障回油过程的通畅,满足海洋滑翔机对浮力调节的要求,可以应用于一般海洋深度的水下滑翔机。     

水下航行器复合材料耐压壳优选设计研究

目的 提升水下航行器潜深,将复合材料代替高强度钢材料用于水下航行器的耐压结构,对该结构开展优选设计研究,探究其提升耐压壳的极限潜深与降低结构质量的能力。方法 采用分步选优的设计方法对复合材料耐压壳体进行优选。在进行耐压壳体的优选时,考虑铺层百分比、角度、厚度对壳体的稳定性和极限载荷的影响。在进行环肋形式的优选时,从肋骨受力情况出发,考虑肋骨铺层形式对于稳定性的影响。结果 在耐压壳厚度相同的情况下,通过壳体铺层优选,复合材料耐压壳体的失稳压力提升在56.06%以上。在进行肋骨优选后,极限潜深相较于“海狼”级潜艇提升约26.67%,且复合材料耐压壳相较于高强度钢耐压壳质量减轻在80%左右。结论 通过分步优选的方法,可以得到该水下航行器耐压壳的主壳体铺层形式为[0/±45/0/0/±45/0/90/0]s,单层厚度为1.5 mm。环肋形式为T形,环肋面板与腹板均采用环向铺设。