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超空泡运动体稳定性和可靠性研究

田广平  
【摘要】: 超空泡运动体是一种依靠超空泡包裹的水下高速武器。其所依靠的超空泡就是“空化”现象,也称“空穴”现象。水的汽化可以通过两种方法获得,一种是温度的升高,另一种是降低压力。前一种方法称为蒸发或沸腾,后一种称为空泡。当物体在水中高速运动时,在固体和液体的交界面上,压力会大大降低,有时甚至会产生接近真空的负压,此时,即使是常温下,局部的水也会沸腾,形成低压的微小气泡(在0.02个大气压下,20℃的水就会沸腾)。在周围水压的作用下,这些气泡急剧崩溃,并伴生强大的冲击波。这便是“空化”现象。 超空泡运动体的运动情况非常复杂,超空泡运动体的稳定运动是一个极为重要的难题。如果以超空泡运动体在不稳定运动状态下进行受力分析,只是单纯的按照一般确定性的力学方法计算,而没考虑外界因素的随机性,很有可能在实际情况中达不到稳定运动,当然也就无法达到高速的要求。因此在稳定运动情况下对超空泡运动体进行的可靠性分析,在工程应用中更有实际意义。 本文研究的主要内容是: 1)研究了与超空泡运动体稳定运动相关的基础理论,分析了超空泡的边界值问题,得出了用公式解决超空泡流数学模型的假设。利用附加质量法,研究超空泡运动体稳定的运动。运用平面截面法,计算超空泡运动体稳定运动的受力情况。分析超空泡闭合方案,得到了六种闭合形式。运用工程简化方法推导了超空泡半径以及阻力系数。 2)研究超空泡运动体稳定运动时空泡轴线的弯曲问题。空化器的攻角和地球重力是造成空泡轴线弯曲的原因。对于空化器的攻角引起的空泡轴线弯曲问题,给出详细的推导过程。 3)研究超空泡运动体的稳定运动。首先定义了分析超空泡运动体稳定运动的相关坐标系,然后研究了超空泡运动体滑水运动,给出了滑水运动时尾部滑水部分的受力表达式。接着,研究圆弧非对称浸没到圆形流体表面问题,给出稳定运动时的力和力矩的表达式。最后给出稳定运动所需的各角度之间的关系式。 4)可靠性研究。首先介绍了有限元法和蒙特卡洛法的特点以及计算步骤,然后通过编程计算超空泡运动体稳定运动时的空化器阻力、发动机推力,当超空泡运动体攻角发生变化时,空化器阻力与弹体之间的角度以及发动机推力与弹体之间的角度相应的变化。以我校超空泡运动体试验模型的参数为参考,建立模型,并采用这些随机变量的均值和变异系数进行有限元前处理。最后通过蒙特卡洛法进行可靠性分析,给出可靠性指标。


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