CN116757123B - 基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，用于预报水面飞行器着水垂向载荷，涉及水面飞行器着水领域。受经典二维半理论的启发，基于改进的冯卡门动量守恒理论，综合考虑自由入水问题与二维半理论方法，提出一种基于典型切片着水的快速预测全模垂向着水载荷的计算方法。该方法只需要针对模型典型截面着水过程开展一次数值模拟，即可借助变量间的关系式推演出不同工况下截面着水载荷，最终预估垂向力。主要分为两个核心模块：切片参数处理构造特征曲线和离散求解得到预测值。

Description

基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法
技术领域
本发明涉及水面飞行器着水领域，具体是一种基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，用于预报水面飞行器着水垂向载荷。
背景技术
水面飞行器着水时，会遭受水体的高速冲击，与在空中飞行或着陆时所面临的载荷有很大不同，存在复杂的高速水气流动现象、水气混合效应、水动和气动载荷以及结构冲击载荷等，这类载荷具有强非线性、流固高度耦合等特点。着水过程中水体和飞行器之间会发生复杂的相互作用，使得载荷的分析和计算非常具有挑战性。
在水面飞行器初步设计阶段往往需要更为高效的理论预报方法对其着水载荷进行评估，目前在飞行器设计领域相关理论方法的研究十分匮乏，需要借助跨领域的理论、算法和经验为飞行器着水载荷研究提供新的思路。
近年来基于二维半理论的水载荷预报研究在船舶领域尤为突出，不仅可以用于滑行体定速滑行这一定常问题的研究，还可以扩展到多自由度滑行体滑行、变截面滑行体滑行以及带断阶滑行体滑行时各瞬态水动力的求解，模型适应性强，应用范围广泛。其核心思想是假设滑行体某一横截面上的流动仅受该截面上流动的影响，因此可以从头部开始，沿着滑行体纵向向尾部步进求解每个剖面对应的水动力，进而求得整个滑行体的水动力。相关研究算例与水面飞行器着水过程也极为相似。
此外，为使二维半理论的计算结果更加准确，二维截面部分水载荷求解是研究重点，较为常见的是采用边界元法和计算流体力学方法求解垂向水载荷。但是，多数的研究主要针对二维截面匀速入水问题，而对于二维截面自由入水方面的研究尚不完善。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，用于预报水面飞行器着水垂向载荷。只需要获得研究模型的典型截面自由着水过程加速度、速度以及入水深度的时历过程，并利用模型自身的外形参数以及材料属性，即可借助改进的理论模型关系式推导出不同工况下典型截面着水载荷，最终预估垂向力。
本发明提供了一种于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，假设初始速度的水面飞行器结构体以仰角θ自由入水，计算t时刻水面飞行器结构体所受垂向水动力，具体步骤如下：
1）水面飞行器结构体垂向截面段，开展单自由度着水数值模拟，划分截面段流场网格，获取截面段底部斜升角β、质量M以及厚度d；
2）获取截面段自由着水加速度、速度和位移随时间变化情况，绘制曲线图；
3）对步骤2）获得的曲线图利用改进的冯卡门动量守恒理论关系式，去除初始触水速度，质量M以及底部斜升角β的影响，从而构建新关系式即自由入水特征曲线/>和/>，获得新的曲线图；
4）获取需要求解时刻的运动学参数，设此刻水面尚未浸湿水面飞行器结构体折角，水面飞行器结构体的入水速度为，入水深度为/>，去变量后入水位移为/>，，正方向垂直指向上；
5）根据去变量后入水位移的范围，在步骤3）获得的曲线图中确定/>和/>的值域；
6）获得各个截面段各自对应的初始着水速度，对上一步中确定的/>值域内所有数据，利用关系式/>求解；
7）根据步骤3）中曲线获得Fz关于去变量位移/>的曲线，对/>值域内所有数据点做变换，得到各个数据点对应的垂向水动力/>，并利用多项式拟合曲线，获得/>曲线；
8）由切片数量对曲线离散并求和，模型的吃水深度/>为已知条件，进而求得模型浸入水面以下部分的水平长度/>；根据截面段的厚度d，估算t时刻截面段数量为n，对拟合的多项式曲线/>在/>范围内等间距离散n份，并将对应的n个/>求和，得到最终的快速数值计算结果Fz。
步骤3）所述改进的冯卡门动量守恒理论关系式如下：，式中，γ为喷溅系数，与底部斜升角β有关。
步骤7）所述各个数据点对应的垂向水动力具体表示如下：。
本发明有益效果在于：本发明用于水面飞行器结构自由着水垂向载荷预报，只需要获得研究模型的典型截面自由着水过程加速度、速度以及入水深度的时历过程，并利用模型自身的外形参数以及材料属性，即可借助改进的理论模型关系式推导出不同工况下典型截面着水载荷，最终预估着水垂向力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是Fridsma滑行体；
图2是Fridsma滑行体着水初始情况；
图3是4°仰角滑行体垂向截面段网格划分；
图4是4°仰角滑行体垂向截面段自由入水运动参数时历曲线；
图5是Fridsma滑行体垂向截面段着水和关于的函数；
图6是t=0.03s时滑行体位置；
图7是Fridsma滑行体垂向截面段着水和的值域；
图8是Fridsma滑行体垂向截面段着水垂向力随的变化曲线；
图9是本发明整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例以类水面飞行器结构体Fridsma滑行体4°仰角自由入水作示范，如图1所示。初始时刻，滑行体具有初始速度且最低点距自由液面微小距离，仅放开升沉位移单自由度，如图2所示。本例中演示求解t=0.03s时滑行体所受垂向水动力的步骤，如图9所示。
第一步：选取4°仰角滑行体垂向截面段，开展单自由度着水数值模拟，截面段流场网格划分如图3所示，y+取50，截面段底部斜升角β为20.04°，质量M为0.068 kg，厚度d为0.01 m，初速度=4 m/s。
第二步：获取截面段自由着水加速度、速度和位移随时间变化情况，如图4。
第三步：对图4时历曲线利用改进的冯卡门动量守恒理论关系式去除初始触水速度，质量M以及底部斜升角β的影响，其中喷溅系数γ与底部斜升角β有关，从而构建新关系式即自由入水特征曲线/>和/>，获得新的曲线图如图5所示。
。
第四步：获取需要求解时刻的运动学参数。以t=0.03 s时滑行体所受垂向水动力为研究对象，图6是滑行体与自由液面的相对位置情况，此时水面尚未浸湿滑行体折角，滑行体的入水速度为-2.14369 m/s，入水深度/>为-0.018224 m，去变量后入水位移/>为-0.191593，正方向垂直指向上。
第五步：根据去变量后位移的范围，在特征曲线图5中确定和/>的值域，如图7所示。
第六步：获得各个截面段各自对应的初始着水速度。对上一步中确定的/>值域内所有数据，利用关系式/>求解，其中/>= -2.14369m/s。
第七步：由图5中曲线获得FZ关于去变量位移/>的曲线。对/>值域内所有数据点做变换，得到各个数据点对应的垂向水动力/>：/>;并利用多项式拟合曲线，获得/>曲线，如图8。
第八步：由切片数量对曲线离散并求和。模型的吃水深度为已知条件，进而求得模型浸入水面以下部分的水平长度/>=0.260615m。由于截面段的厚度为0.01m，估算知t=0.03s时大约有26个截面段。至此，对上一步拟合的多项式曲线/>,在范围内等间距离散26份，并将对应的26个/>求和，得到最终的快速数值计算结果/>=268.52546N，通过计算流体力学方法得到的数值模拟结果为285.52545N，误差为5.95%，可见该快速数值计算方法的准确度较高。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，其特征在于：假设初始速度的水面飞行器结构体以仰角θ自由入水，计算t 时刻水面飞行器结构体所受垂向水动力，具体步骤如下：
1）水面飞行器结构体垂向截面段，开展单自由度着水数值模拟，划分截面段流场网格，获取截面段底部斜升角β、质量M以及厚度d；
2）获取截面段自由着水加速度、速度和位移随时间变化情况，绘制曲线图；
3）对步骤2）获得的曲线图利用改进的冯卡门动量守恒理论关系式，去除初始触水速度,质量M以及底部斜升角β的影响，从而构建新关系式即自由入水特征曲线/>和，获得新的曲线图；
4）获取需要求解时刻的运动学参数，设此刻水面尚未浸湿水面飞行器结构体折角，水面飞行器结构体的入水速度为，入水深度为/>，去变量后入水位移为/>，/>，正方向垂直指向上；
5）根据去变量后入水位移的范围，在步骤3）获得的曲线图中确定/>和/>的值域；
6）获得各个截面段各自对应的初始着水速度,对上一步中确定的/>值域内所有数据，利用关系式/>求解;
7）根据步骤3）中曲线获得Fz关于去变量位移的曲线，对/>值域内所有数据点做变换，得到各个数据点对应的垂向水动力/>,并利用多项式拟合曲线，获得/>曲线；
8）由切片数量对曲线离散并求和，模型的吃水深度/>为已知条件，进而求得模型浸入水面以下部分的水平长度/>,根据截面段的厚度d，估算t时刻截面段数量为n，对拟合的多项式曲线/>在/>范围内等间距离散n份，并将对应的n个/>求和，得到最终的快速数值计算结果Fz。
2.根据权利要求1所述的基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，其特征在于：步骤3）所述改进的冯卡门动量守恒理论关系式如下：,式中，γ为喷溅系数，与底部斜升角β有关。
3.根据权利要求1所述的基于二维半理论的水面飞行器结构着水载荷预报方法，其特征在于：步骤7）所述各个数据点对应的垂向水动力具体表示如下：。
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