摘要：基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计。结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响。文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考。

摘要：工程设计优化中,优化试验设计方法常常用于求解大型复杂系统问题。针对传统优化试验设计方法计算耗时长、效率低的问题,提出一种快速优化拉丁超立方试验设计方法:在拉丁超立方抽样框架下,采用基于最大最小距离准则连续局部枚举方法设计生成高性能小尺寸基础样本,然后利用平移传播算法通过"平移"基础样本快速获得大尺寸试验样本。结合提出的样本尺寸调整策略,使该方法可以快速得到空间填充性能和映射性能良好的任意尺寸试验样本。测试结果表明快速优化拉丁超立方试验设计方法能够兼顾设计效率和样本性能,优于已有典型试验设计方法。

摘要：针对航行体在以大于100 m/s的速度高速入水过程中承受巨大的冲击载荷可能导致的结构损坏、弹道失控等现象,而现有的缓冲措施降载能力有限的难题,本文设计了一种航行体高速入水梯度密度式缓冲头帽,确保航行体能够高速安全入水,并给出了详细的设计过程.同时基于ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)算法建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值计算模型,且数值计算的结果与试验测试数据具有较好的一致性.然后在此基础上,开展了航行体带梯度密度式缓冲头帽高速入水降载特性的数值研究,探究了双层缓冲件不同分层厚度、正负密度梯度排列以及层间密度差等重要参数对缓冲头帽能量吸收以及缓冲降载效果的影响规律,并进行了大尺度模型高速入水冲击测试试验,根据航行体模型干模态分析时的二阶弯曲模态固有频率对试验数据进行滤波处理.研究结果表明,在本文所研究的范围内,分层的缓冲件相比较于不分层的缓冲件表现出更强的冲击能量吸收效果,且缓冲件吸收的冲击能量随着分层数的增加而增加;负密度梯度排列的缓冲件其缓冲能力强于正密度梯度的缓冲件;当层间密度差越大时,冲击能量的损耗也将越大,缓冲头帽的降载效果越好.

摘要：为了提高翼身融合水下滑翔机等复杂工程系统的设计质量与优化效率,本文提出一种混合元模型自适应空间探索优化方法。通过增强随机进化算法选取初始样本点,构造3种经典单一元模型:多项式响应面模型、径向基函数模型和克里金模型。使用基于预测均方根误差权重因子优化方法计算获得各元模型权系数,通过加权叠加构建混合元模型。采用自适应空间探索方法根据已知信息确定有效的设计子空间,并在其内部选取新增样本点,逐步提高混合元模型在感兴趣区域的预测精度,直至优化收敛。将提出的方法应用于标准优化函数和翼身融合水下滑翔机外形设计优化实例,试验对比结果验证了该方法在优化效率和全局收敛性方面的优势。

摘要：为更清楚地认识静水压力作用下纤维缠绕圆柱壳体的耐压特性、解决深海耐压舱体的结构稳定性问题以及给工程设计提供参考,有必要对纤维缠绕圆柱壳体的结构稳定性进行深入研究。在弹性薄壳理论的基础上,推导出纤维缠绕圆柱壳体稳定性控制方程,采用Galerkin方法求解纤维缠绕圆柱壳体受静水压力作用下的临界失稳载荷。以正交缠绕、金属-纤维缠绕复合结构、斜交缠绕等几种形式的壳体结构为对象进行解析,并与实验结果对比,验证了求解的有效性和正确性。在此基础上,建立了基于遗传算法与解析方案一体式的优化平台,对[(±θ)12],[(±θ1)x/(±θ2)12-x]及[(±θ1)4/(±θ2)4/(±θ3)4]缠绕形式的圆柱壳体进行优化设计,研究纤维缠绕角度、对应层数及设计变量个数对临界失稳载荷的影响。结果表明,纤维缠绕角度对临界失稳载荷有显著影响,通过数值优化稳定性分别提高31.31%,43.25%及57.17%;随着角度变量的增加,优化得到的临界失稳载荷越大,最优可提高57.17%。

摘要：为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。

摘要：为解决水下噪声污染问题以及提升水下航行器声隐身性能,根据座头鲸鳍肢前缘结节结构对NACA0020进行波状前缘改型设计。采用大涡模拟和FW-H方程相结合的方法,对改型前后翼型的湍流干涉流场及噪声特性进行了研究。结果表明波状前缘能够有效降低翼型的湍流干涉噪声,尤其是高于89.55 Hz的宽频噪声。波状前缘翼型的总声压级指向性特征与原翼型相同,均呈偶极子特性,但其各个方向上的噪声值均有一定降低。对总声压级进行分频段计算发现波状前缘在1000~5000 Hz的中高频段内降噪最好,降噪量可达12.6 dB。通过流场分析得出波状前缘的降噪作用主要与前缘压力脉动降低和展向流动增强导致涡在展向的相干性减弱有关。

摘要：为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。

摘要：基于重叠网格技术,VOF(volume of fluid)多相流模型以及改进型分离涡模型相结合方法,建立了基于主动通气下双体水下齐射降载增稳数值方法,分析了通气量对空泡形态、载荷特性及运动稳定性的影响规律。结果表明:在一定范围内,随着通气量的增加,当通气空泡完全包裹航行体孔口下方区域后,横向载荷幅值和交变峰值均减小,同时,产生的扶偏力矩能够大幅度减小双发航行体之间狭长流域产生的流动干扰现象。另外,为了避免发生共振现象,设计航行体时应尽量使其固有频率在通气效应产生的低频范围之外。综合分析,主动通气方式对多体水下齐射运动姿态的不稳定性具有较好的改善作用。

摘要：针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。