一种大口径回转体最优入水流体外形设计方法及系统

1.本发明涉及水下航行体技术领域，特别涉及一种大口径回转体最优入水流体外形设计方法及系统。


背景技术：

2.大口径回转体经由空气介质跨越水空界面，高速进入水中的过程称为高速入水过程。高速入水过程中固、液、气耦合作用产生入水冲击、空泡多相流耦合等一系列复杂物理现象。工程中的很多场景均与高速入水问题相关，如空投鱼雷入水、海上飞机在水面着陆、船舶航行过程中受到海浪抨击及航天器通过降落伞在海上回收等。在一系列工程项目的牵引下，研究人员对高速入水问题展开了大量的研究工作，而在实际过程中，如何优化设计大口径回转体使其能够更好的满足任务需求一直未得到解决，因此亟待一种大口径回转体最优入水流体外形设计方法。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的第一个目的在于提出一种大口径回转体最优入水流体外形设计方法，该方法可以获得最优入水外形。
5.本发明的第二个目的在于提出一种大口径回转体最优入水流体外形设计系统。
6.本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。
7.本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
8.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了大口径回转体最优入水流体外形设计方法，包括以下步骤：步骤s1，建立高速入水弹道数学模型；步骤s2，基于所述高速入水弹道数学模型建立高速入水流体外形优化模型；步骤s3，采用所述高速入水流体外形优化模型进行优化仿真计算，得到最优入水外形。
9.本发明实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计方法，先建立高速入水弹道数学模型，将优化设计的参数进行显处理，根据任务需求对优化算法进行设计，最后进行优化仿真计算，得到最优入水外形，且该最优入水外形可以使得大口径回转体的袋深逐渐减小、其弹道稳定性增加、回转体姿态变化小以及不易发生跳弹现象。
10.另外，根据本发明上述实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计方法还可以具有以下附加的技术特征：
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s1具体包括：步骤s101，对大口径回转体高速入水的整个运动过程进行受力分析，分别对重力、滑行力以及空化器流体动力进行动力学建模；步骤s102，构建运动学模型，与重力动力学模型、滑行力动力学模型以及空化器流体动力学模型构成所述建立高速入水弹道数学模型。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2具体包括：步骤s201，对所述高速入水弹道数学模型进行梳理，设计空化器直径和质心位置为优化变量；步骤s202，考虑大
口径回转体高速入水过程中的约束条件，将所述空化器直径和所述质心位置输入所述高速入水弹道数学模型中，确定约束罚函数和优化指标；步骤s203，根据所述约束罚函数和所述优化指标构建所述高速入水流体外形优化模型。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述约束条件包括弹道稳定性条件、袋深约束和优化指标。
14.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了大口径回转体最优入水流体外形设计系统，包括：数学模型构建模块，用于建立高速入水弹道数学模型；外形优化构建模块，用于基于所述高速入水弹道数学模型建立高速入水流体外形优化模型；仿真计算模块，用于采用所述高速入水流体外形优化模型进行优化仿真计算，得到最优入水外形。
15.本发明实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计系统，先建立高速入水弹道数学模型，将优化设计的参数进行显处理，根据任务需求对优化算法进行设计，最后进行优化仿真计算，得到最优入水外形，且该最优入水外形可以使得大口径回转体的袋深逐渐减小、其弹道稳定性增加、回转体姿态变化小以及不易发生跳弹现象。
16.另外，根据本发明上述实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计系统还可以具有以下附加的技术特征：
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数学模型构建模块具体包括：动力学建模单元，用于对大口径回转体高速入水的整个运动过程进行受力分析，分别对重力、滑行力以及空化器流体动力进行动力学建模；构建数学模型单元，用于构建运动学模型，与重力动力学模型、滑行力动力学模型以及空化器流体动力学模型构成所述建立高速入水弹道数学模型。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外形优化构建模块具体包括：设计变量单元，用于对所述高速入水弹道数学模型进行梳理，设计空化器直径和质心位置为优化变量；确定单元，用于考虑大口径回转体高速入水过程中的约束条件，将所述空化器直径和所述质心位置输入所述高速入水弹道数学模型中，确定约束罚函数和优化指标；外形优化模型构建单元，用于根据所述约束罚函数和所述优化指标构建所述高速入水流体外形优化模型。
19.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述约束条件包括弹道稳定性条件、袋深约束和优化指标。
20.本发明又一方面实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述实施例所述的大口径回转体最优入水流体外形设计方法。
21.本发明还一方面实施例提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的大口径回转体最优入水流体外形设计方法。
22.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
24.图1是本发明一个实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计方法的流程图；
25.图2是本发明一个实施例的大口径回转体的受力分析示意图；
26.图3是本发明一个实施例的最优入水流体外形设计方法逻辑框图；
27.图4是本发明一个实施例的轨迹曲线优化过程示意图；
28.图5是本发明一个实施例的俯仰角曲线示意图；
29.图6是本发明一个实施例的俯仰角速度曲线示意图；
30.图7是本发明一个实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计系统的结构示意图。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径回转体最优入水流体外形设计方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径回转体最优入水流体外形设计方法。
33.图1是本发明一个实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计方法的流程图。
34.如图1所示，该大口径回转体最优入水流体外形设计方法包括以下步骤：
35.在步骤s1中，建立高速入水弹道数学模型。
36.进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s1具体包括：
37.步骤s101，对大口径回转体高速入水的整个运动过程进行受力分析，分别对重力、滑行力以及空化器流体动力进行动力学建模；
38.步骤s102，构建运动学模型，与重力动力学模型、滑行力动力学模型以及空化器流体动力学模型构成建立高速入水弹道数学模型。
39.具体地，如图2所示，先进行受力分析，在回转体高速入水的整个运动过程中，受到重力、滑行力以及空化器流体动力的作用，下面对三者进行动力学建模：
40.(1)重力
41.在地面系下，大型回转体所受重力为：
[0042][0043]
式中，g
xe
为重力在地面系下x轴的分量，g
ye
为重力在地面系下y轴的分量，m为回转体质量，g为重力加速度。
[0044]
通过坐标变换投影至弹体坐标系的表达式为：
[0045][0046]
式中，f
xg
为弹体坐标系下回转体x轴所受重力大小，f
yg
为弹体坐标系下回转体y轴所受重力大小，θ为回转体的俯仰角。
[0047]
(2)空化器流体动力
[0048]
大型回转体空化器所受力的作用如下：
[0049][0050]
式中，f
xc
为空化器流体动力在回转体x轴的分量，f
yc
为空化器流体动力在回转体y轴的分量，ρ为水的密度，v为回转体的速度，sc为空化器的参考面积，dc为空化器的直径，轴力系数c
xc
和法力系数c
yc
为攻角α的函数，其表达式为：
[0051][0052]
式中，c
x0
为圆盘空化器的零攻角零空化数下的值，一般取c
x0
＝0.82，σ为空化数。
[0053]
空化器所受力矩为：
[0054]mzc
＝f
yc
lc＝0.5ρv2c
x0
(1+σ)cosαsclc[0055]
式中，m
zc
为空化器所受力矩，f
yc
为空化器流体动力在回转体y轴的分量，lc为空化器距质心的距离，ρ为水的密度，v为回转体的速度，σ为空化数，α为攻角，sc为空化器的参考面积。
[0056]
(3)滑行力
[0057]
大型回转体除受到重力及空化器受力外，还会受到因尾拍产生的滑行力。依据hassan定理，可得垂直于回转体纵轴的滑行力与力矩的表达式为：
[0058][0059]mzw
＝fwlf[0060]
式中，fw为滑行力，rc为空泡半径，ρ为水的密度，v为回转体速度，r为回转体尾部半径，lf为尾部与质心的距离，h为沾湿深度，α
plane
为回转体轴线与空泡轴线之间的夹角，也称为沾湿角，h与α
plane
及其他参数表达式如下所示：
[0061][0062]
[0063][0064][0065][0066][0067]
式中，θ(t)为回转体当前时刻俯仰角，θ(t-τ)为τ时刻之前的俯仰角，q(t-τ)为τ时刻之前的俯仰角速度，w(t-τ)为τ时刻之前的垂向速度，z(t)为当前时刻深度，zn(t-τ)为τ时刻之前的回转体深度，为空泡半径收缩率，τ为时间延迟，
[0068]
以上完成了动力学模型的建立，增加运动学模型后，高速入水的弹道数学模型为：
[0069][0070]
式中，v
x
为回转体轴向速度，f
xg
为重力在x轴分量，f
xc
为空化器受力在x轴分量，m为回转体质量，vy为回转体法向速度，f
yg
为重力在y轴分量，f
yc
为空化器受力在y轴分量，fw为滑行力，wz为俯仰角速度，m
zc
为空化器力矩，m
zw
为滑行力力矩，x,y为回转体在地面系下的位置，jy为回转体的转动惯量。
[0071]
在步骤s2中，基于高速入水弹道数学模型建立高速入水流体外形优化模型。
[0072]
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s2具体包括：
[0073]
步骤s201，对高速入水弹道数学模型进行梳理，设计空化器直径和质心位置为优化变量；
[0074]
步骤s202，考虑大口径回转体高速入水过程中的约束条件，将空化器直径和质心位置输入高速入水弹道数学模型中，确定约束罚函数和优化指标；
[0075]
步骤s203，根据约束罚函数和优化指标构建高速入水流体外形优化模型。
[0076]
其中，约束条件包括弹道稳定性条件、袋深约束和优化指标。
[0077]
具体地，如图3所示，在进行优化模型建立时，需要先对优化变量进行梳理，再考虑大口径回转体高速入水过程中的约束条件，并且设置优化指标，选择序列二次规划算法(sqp)进行优化，最终可以得出最优流体外形。
[0078]
首先在设计大口径回转体的过程中，可以通过调整其空化器大小，质心位置来针对其高速入水过程进行优化，设计空化器直径dc，质心位置lc为优化变量。
[0079]
然后在大口径回转体高速入水过程中，需要考虑的约束条件有：
[0080]
(1)弹道稳定性条件，即回转体入水后不能在不受控的情况下跳出水面，可以通过限制俯仰角速度来满足弹道稳定性要求，即全程俯仰角速度满足|wz|《w
zmax
；
[0081]
(2)袋深约束，大口径回转体高速入水后，由于其入水阻力较小，会导致回转体水深过深，有扎入水底风险，故需考虑袋深约束，避免扎底风险，即深度满足|h|《h
max
。
[0082]
(3)优化指标设计为高速入水过程结束后，回转体剩余的能量大小，主要分为动能及势能，设计权重函数，对优化函数进行设计，并以此为优化指标函数进行回转体变量优化。指标函数的表达式为：
[0083]
j＝λ1mv2+λ2mgh
[0084]
式中，λ1、λ2为权重函数，m为回转体质量，v为回转体最终速度，h为深度。
[0085]
从而得到高速入水流体外形优化模型。
[0086]
在步骤s3中，采用高速入水流体外形优化模型进行优化仿真计算，得到最优入水外形。
[0087]
具体地，采用步骤s2中的高速入水流体外形优化模型进行仿真计算分析，优化过程如图4所示，可以看出，随着优化过程，轨迹的深度曲线逐渐上升，使得大口径回转体的袋深逐渐减小。如图5所示，俯仰角曲线随着优化过程，其最小值变小，极值由60
°
缩小至36
°
，说明其弹道稳定性增加，回转体姿态变化小。如图6所示，仰角速度曲线随着优化过程，其最负的值逐渐变小，极值由250
°
/s缩小至75
°
/s，说明其弹道稳定性增加，回转体姿态变化小，不易发生跳弹现象，从数值上证实了本发明实施例所设计的入水流体外形最优设计方法的有效性。
[0088]
综上，根据本发明实施例提出的大口径回转体最优入水流体外形设计方法，先建立高速入水弹道数学模型，将优化设计的参数进行显处理，根据任务需求对优化算法进行设计，最后进行优化仿真计算，得到最优入水外形，且该最优入水外形可以使得大口径回转体的袋深逐渐减小、其弹道稳定性增加、回转体姿态变化小以及不易发生跳弹现象。
[0089]
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径回转体最优入水流体外形设计系统。
[0090]
图6是本发明一个实施例的大口径回转体最优入水流体外形设计系统的结构示意图。
[0091]
如图6所示，该系统10包括：数学模型构建模块100、外形优化构建模块200和仿真计算模块300。
[0092]
其中，数学模型构建模块100用于建立高速入水弹道数学模型。外形优化构建模块200用于基于高速入水弹道数学模型建立高速入水流体外形优化模型。仿真计算模块300用于采用高速入水流体外形优化模型进行优化仿真计算，得到最优入水外形。
[0093]
进一步地，在本发明的一个实施例中，数学模型构建模块100具体包括：动力学建模单元，用于对大口径回转体高速入水的整个运动过程进行受力分析，分别对重力、滑行力以及空化器流体动力进行动力学建模；构建数学模型单元，用于构建运动学模型，与重力动力学模型、滑行力动力学模型以及空化器流体动力学模型构成建立高速入水弹道数学模
型。
[0094]
进一步地，在本发明的一个实施例中，外形优化构建模块200具体包括设计变量单元，用于对高速入水弹道数学模型进行梳理，设计空化器直径和质心位置为优化变量；确定单元，用于考虑大口径回转体高速入水过程中的约束条件，将空化器直径和质心位置输入高速入水弹道数学模型中，确定约束罚函数和优化指标；外形优化模型构建单元，用于根据约束罚函数和优化指标构建高速入水流体外形优化模型。
[0095]
进一步地，在本发明的一个实施例中，约束条件包括弹道稳定性条件、袋深约束和优化指标。
[0096]
需要说明的是，前述对大口径回转体最优入水流体外形设计方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。
[0097]
根据本发明实施例提出的大口径回转体最优入水流体外形设计系统，先建立高速入水弹道数学模型，将优化设计的参数进行显处理，根据任务需求对优化算法进行设计，最后进行优化仿真计算，得到最优入水外形，且该最优入水外形可以使得大口径回转体的袋深逐渐减小、其弹道稳定性增加、回转体姿态变化小以及不易发生跳弹现象。
[0098]
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如前述实施例所述的大口径回转体最优入水流体外形设计方法。
[0099]
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例所述的大口径回转体最优入水流体外形设计方法。
[0100]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0101]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0102]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0103]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执
行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或n个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0104]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0105]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0106]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0107]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。