超空泡航行体尾拍冲击与振动特性的研究 (2).doc

博士学位论文超空泡航行体尾拍冲击与振动特性的研究RESEARCHONIMPACTANDVIBRATIONCHARACTERISTICOFSUPERCAVITATINGVEHICLEWITHTAIL-SLAPS张劲生2010年月国内图书分类号：O351.3学校代码：10213国际图书分类号：密级：工学博士学位论文超空泡航行体尾拍冲击与振动特性的研究博士研究生：张劲生导师：张嘉钟教授申请学位：工学博士学科：一般力学与力学基础所在单位：航天学院航天工程与力学系答辩日期：2010年月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O351.3U.D.C:DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONIMPACTANDVIBRATIONCHARACTERISTICOFSUPERCAVITATINGVEHICLEWITHTAIL-SLAPSCandidate：ZhangJinshengSupervisor：Prof.ZhangJiazhongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：GeneralMechanicsandFoundationofMechanicsAffiliation：DepartmentofAerospaceEngineeringandMechanicsSchoolofAstronauticsDateofDefence：2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学博士学位论文摘要—II—I摘要超空泡减阻是实现水下航行体超高速运动的一种理想手段借助于超空泡水下航行体的粘湿面积可以降到最小状态极大地降低了表面的液体摩擦阻力。超空泡航行体在不同的航速下有不同的运动模式尾拍飞行是航行体在较高速度段的一种运动模式。连续的尾拍冲击使航行体的结构动力学特性与传统航行器有很大的不同。到目前对超空泡航行体的流体动力学特性的研究比较多而对于航行体自身的动力学和振动学特性的研究文献还不是很多尤其是对尾拍阶段高速运动的超空泡航行体的振动特性的研究就更少了。而该项研究对后续的航行体的结构设计、优化、运动稳定性等方面的研究工作又有着重要的影响。本文采用理论和仿真研究的手段对尾拍过程中超空泡航行体的尾部激振力和结构振动特性进行了研究。主要内容如下：针对航行体尾拍飞行时的运动特点结合作大范围转动的弹性梁理论给出了超空泡射弹的振动频率和模态并对其时变特性进行了计算和分析。同时研究了弹体外形尺寸、材料及转速对系统振动特性的影响。由于尾拍振动研究的一个关键和难点就是尾拍冲击载荷的确定。故分别采用理论方法和流固耦合仿真分析的方法对小型超空泡射弹作自由飞行时的尾拍冲击载荷进行了研究。并得出了尾拍载荷的时间变化规律、以及与弹体参数的关系。在上面对尾拍载荷的研究结果的基础上对射弹自由飞行时的尾拍振动的结构响应进行了仿真模拟。得到了加速度响应的时域和频域特性、弹体主应力最大值的变化和分布情况、弹体结构响应与弹体参数的关系。对大尺寸超空泡航行体在不同速度段匀速巡航时的尾拍响应进行了有限元数值模拟给出了航行体结构响应与巡航速度的关系。本文的研究结果可以为以后的超空泡航行体尾拍振动方面的实验研究提供参考并为超空泡航行体的结构优化设计等工作提供必要的基础。关键词：超空泡；尾拍；激振力；结构响应；数值仿真Abstract-IV-IIIAbstractUsingsupercavitationtoenormouslyreducethedragontheunderwatervehicleisanidealwaytoincreasingthevelocityoftheunderwatervehicle.Asupercavitycanminimizethewater-contactingsurfaceofthevehiclethusthefrictionbythewateralsowouldbereduced.Severalpossiblemodesofvehiclemotionwouldariseaccordingtothemagnitudeof