详情

原文传递限定条件下高速航行体结构优化设计及水动力特性的研究

论文题名：	限定条件下高速航行体结构优化设计及水动力特性的研究
关键词：	高速航行体;优化设计;入水速度;入水角度;水动力特性
摘要：	超高速航行体是传统航行体的主要发展方向之一，是世界各国研究和投入的重点。本文基于航行体最大直径50mm，材料45#钢，质量为结合高速跨介质入水过程中的速度衰减和流阻系数，优化航行体的结构参数，获得了较优的质量较轻小型航行体。在此基础上，验证分析了该航行体的最大流阻系数最小，速度衰减缓慢，表明该航行体结构参数是合理可行的。最后着重探索了入水速度、入水角度对航行流阻系数和空泡演化的影响，揭示了超高速小型航行体的水动力特性，获得了入水速度和入水角度最优的变化范围，为轻质量小型航行体外形结构优化设计提供参考，也为其工程应用提供理论支撑。具体研究内容如下：　　（1）结合限定条件，基于SUBOFF模型通过粒子群优化算法获得了航行体首部、中间和尾部三部分长度范围为30mm~40mm。在此基础上，采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法，综合分析了结构参数对航行速度和流阻系数的影响。结果表明：当中间长度为30mm、首部长度为35mm~40mm、尾部长度为30mm和40mm时，航行速度衰减缓慢，流阻系数较小。同时采用 Design-Expert 软件对外形结构参数进一步优化，经方差分析，首部、中间和尾部长度 3 个因素敏感性次序为首部长度＞尾部长度＞中间长度，最后通过响应面分析得到最佳外形结构参数组合：首部长度40mm，中间长度30mm，尾部长度 30mm，经验证其最大流阻系数（2.53×104）最小，优化结果合理可行。　　（2）在以上最佳外形长度参数组合的基础上，结合Granville曲线方程，确定了航行体首部的双参数线型表达式。通过理论分析发现参数r0和ks1在满足物理线型的前提下，r0应取小值，ks1应取大值，以利于改善航行体的流动性能，减小沾湿面积，降低摩擦阻力。在此基础上，通过首部线型的零值条件、单位值条件、极大值与极小值条件、拐点条件，获得了首部曲线参数ks1值范围为0~24、r0取值范围为0~3.0。最后对比分析得到最佳首部曲线参数组合为ks1=24，r0 =2.0，最大流阻系数为2.50×104。　　（3）最后基于上述优化后质量轻小型航行体的结构，分析了不同入水速度下（200m/s、300m/s、400m/s、500m/s、600m/s）航行体垂直入水（入水角为90°，下同）过程的水动力特性，结果表明：流阻系数随着入水速度增加而增大，当入水速度为200m/s时，最大流阻系数约为3.64×104，是入水速度为500m/s时的0.7倍。入水速度为200m/s~500m/s时，当航行时间为1.62ms，流阻系数上升至最大值；当航行时间为1.62ms~1.80ms，航行体处于跨介质过程，流阻系数出现脉动，而后航行速度缓慢衰减，但当入水速度为525m/s，航行至最后2.00ms，流阻系数又稍有增大。在此基础上，研究不同入水速度下航行体空泡形态的变化，结果表明：入水速度 400m/s~600m/s 的航行体首部气泡均为块状气泡，受力不均匀，无法在水下稳定航行，而当入水速度为200m/s~300m/s，航行体首部呈环状气泡，且气泡大小随航行时间逐渐减小，能够实现水下稳定空化，维持水下受力平衡，保证航行体水下稳定性。　　（4）基于200m/s入水速度研究分析了不同入水角度（15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°）航行体的水动力特性，结果表明：随着入水角度的增加，最大流阻系数也不断增大，入水角度为 15°时，最大流阻系数为 3.67×103，是入水角度为 45°时的 0.29倍。在所有的入水角度中，流阻系数变化规律基本一致，当航行时间为 2.15ms，流阻系数直线上升达到最大值；当时间为2.15ms~2.43ms，流阻系数出现了脉动现象，而后航行速度缓慢衰减。除此之外，入水角度为15°、20°、25°、30°时，航行过程中航行体首部出现块状气泡，受力不均匀，且姿态发生偏移，但入水角度为 35°、40°、45°时，航行体表面环形气泡不断减小，航行体水下航行稳定。
作者：	邓尧
专业：	机械工程
导师：	张健平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南科技大学
学位年度：	2023