一种超空泡航行体运动状态转移控制方法技术

本发明专利技术提供了一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，包括：建立超空泡航行体模型；建立包括超空泡航行体尾部侵没深度模型和超空泡航行体非线性动力学模型；改变k和空化数σ并基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态。

A moving state transfer control method for supercavitation vehicle

The invention provides a supercavitating vehicle motion state transfer control method, including: the establishment of supercavitating vehicle model; including the establishment of supercavitating vehicle tail immersion depth model and supercavitating vehicle dynamics model; change K and cavitation number and dynamic distribution of supercavitating vehicle to determine the two-dimensional bifurcation method based on the change; launch initial conditions to determine the vehicle vibration state under different initial conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种超空泡航行体运动状态转移控制方法
本专利技术涉及一种航行体运动检测技术，特别是一种超空泡航行体运动状态转移控制方法。
技术介绍
当水下航行体与周围水体之间发生高速相对运动时，由于静压力急速下降，航行体表面附近发生空化，迅速形成覆盖航行体大部分甚至全部表面的超空泡在这种情况下航行体表面沾湿面积减小，受到的阻力急剧下降，从而能够大大提高航行体的速度.但超空泡航行体在得到高速的同时，由于几乎整体包裹于空泡内而失去了绝大部分浮力支撑，而且在航行体尾翼与空泡之间的碰撞产生强烈的非线性流体动力，这都给超空泡航行体的稳定运动带来了极大的困难.为了有效控制超空泡航行体的运动姿态，减少航行体的尾翼与空泡壁碰撞产生的冲击，国内外学者主要通过控制器的设计控制航行体的稳定航行。在工程应用中，控制参数和发射初始条件变化引起的航行体振动特性是超空泡航行体稳定控制的重要理论依据，白涛等分叉分析了当尾翼偏转角变化时超空泡航行体的运动状态；Dzielski采用一个简化的四维超空泡航行体动力学模型，虽然该模型只考虑了攻角对滑行力的影响，但能够定性的描述超空泡航行体在纵向平面的运动特性；Lin等基于非圆柱非对称空泡探讨了超空泡航行体的非线性动力学行为；总体来说，有关发射初始条件变化对航行体振动特性影响的研究，国内外公开发表的文献尚不多见。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，包括：建立超空泡航行体模型；建立包括超空泡航行体尾部侵没深度模型和超空泡航行体非线性动力学模型；改变k和空化数σ并基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态。采用上述方法，所述超空泡航行体尾部侵没深度模型为采用上述方法，所述超空泡航行体非线性动力学模型为采用上述方法，基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况具体包括：保持航行体头部圆盘空化器偏转角δc不变，选取航行体尾翼偏转角δe＝kq，其中k为航行体俯仰角速度的反馈控制参数，q为航行体俯仰角速度；改变k和空化数σ，对于不同k、σ参数下的超空泡航行体非线性动力学模型，基于二维分岔法将航行体振动状态分为稳定状态、周期状态和混沌状态，且航行体由稳定状态切换到周期状态时或由周期状态切换至混沌状态时会发生Hopf分岔。采用上述方法，改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态包括：于Hopf分岔线处选取一对k、σ参数代入超空泡航行体非线性动力学模型中计算该点处的平衡点(w,q,θ,z)，并将航行体在平衡点处线性化得到Jacobi矩阵，得到相应的四个特征根；选取不同初始值，观察该初始值下侵没深度h′和滑行力Fplaning随时间变化的运动情况；选取航行体振动最小的初始值。本专利技术采用二维分岔分析法确定超空泡航行体系统的动力学分布情况，分析航行体振动产生复杂的非线性物理学现象，探讨尾翼偏转角控制参数和初始条件变化对超空泡航行体振动特性的影响。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1为超空泡航行体结构和外形尺寸示意图。图2为(σ,k)二维系统动力学行为分布图。图3为不同参数时系统在w-θ平面上的相轨图，(a)为σ＝0.02099，k＝0.53下的示意图，(b)为σ＝0.03527，k＝6.14下的示意图，(c)为σ＝0.03272，k＝0.02下的示意图。图4为σ＝0.0283,k＝21.95时相轨迹在w-q平面上的投影示意图，其中(a)为初始值为α1相轨图，(b)为初始值为α2相轨图。图5为σ＝0.03255,Rn＝0.0191时相轨迹在w-q平面上的投影示意图，(a)为初始值为β1相轨图，(b)为初始值为β2相轨图。图6为随时间演化的李雅普诺夫指数谱示意图。图7为σ＝0.02930,k＝5.63时航行体振动特性示意图，其中(a)为侵没深度示意图，(b)为滑行力示意图。图8为随时间演化的Lyapunov指数谱示意图。图9为σ＝0.03527,k＝6.14时航行体振动特性示意图，其中(a)为侵没深度示意图，(b)为滑行力示意图。图10为随时间演化的Lyapunov指数谱示意图。图11为σ＝0.03272,k＝0.02时航行体振动特性示意图，其中(a)为侵没深度示意图，(b)为滑行力示意图。图12为随时间演化的Lyapunov指数谱示意图，其中(a)为初始值为α1的示意图，(b)为初始值为α2的示意图。图13为σ＝0.03051，k＝23.48时航行体振动特性示意图，其中(a)为系统状态变量z、w、θ、q示意图，(b)为侵没深度示意图，(c)为滑行力示意图。图14为随时间演化的Lyapunov指数谱示意图，其中(a)为初始值为β1的示意图，(b)为初始值为β2的示意图。图15为σ＝0.03255，k＝0时航行体振动特性示意图，其中(a)为初始值为β1的示意图，(b)为初始值为β2的示意图。图16为方法流程图。具体实施方式结合图16，一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，包括：建立超空泡航行体模型；建立包括超空泡航行体尾部侵没深度模型和超空泡航行体非线性动力学模型；改变k和空化数σ并基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态。流场的外部条件和水下航行体几何形状等条件会使空泡出现不同的状态,通常用空化数σ来表征相似的空泡状态,σ被定义为：σ＝2(p∞-pc)/ρV2，其中，P∞为无穷远处的压力，Pc为空泡内部的压力，ρ为流体的密度，V为航行体在纵平面内头部空化器的合速度。本专利技术采用的超空泡航行体模型如图1所示，图1给出了航行体的结构和外形尺寸。航行体在头部是一个圆盘空化器，前部为截头锥体，中部为柱体，尾部为扩张围裙式尾翼。空化器的作用除了用来产生和维持超空泡外，作为一个控制面空化器还能够控制航行体头部的流体动力，作用于空化器上流体动力的升力分量为其中，Rn为空化器半径，αc＝w/V+δc，δc为空化器偏转角，阻力系数Cx＝Cx0(1+σ)，Cx0＝0.82。尾翼也需要提供一定的流体动力来产生控制力矩，尾翼流体动力为[10]式中：n表示尾翼效率，αf＝(w+qL)/V+δc，δe为尾翼偏转角。当航行体在超空泡的包裹下航行时，在航行过程中由于航行体与空泡的相对位置发生变化，其尾部与空泡壁接触时会产生复杂的非线性滑行力，从而导致航行体产生振动与冲击。滑行力表达式：式中，R为航行体尾部半径，航行体尾部的一部分浸入到水中时，h′为超空泡航行体尾部浸没深度，表达式为[10]α为超空泡航行体尾翼浸入水中的浸没角，其表达式为式中，Rc、表示在航行体尾部空泡半径及半径收缩率。超空泡航行体坐标系的原点位于航行体头部圆盘空化器的圆心，把地面系当作惯性系，X轴与航行体对称轴重合指向前，Z轴垂直于X轴指向下。航行体Z轴方向的速度w；V代表纵平面内航行体头部空化器的合速度，方向与航行体轴线平行；z为航行体所处位置的深度，θ为航行体俯仰角，q为俯仰角速度，建模采用z、w、θ、q作为四个状态变量来描述超空泡航行体的动力学。根据航行体各部分所受的流体动力，推出超空泡航行体的动力学模型如下在式(4)中，m为模型平均密度与水密度的密度之比(ρm/ρ)，C为常量，其表达式为C＝1/2Cx(Rn/R)2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，其特征在于，包括：建立包括尾翼和空化器的超空泡航行体模型；建立超空泡航行体非线性动力学模型；改变尾翼偏转角和空化数并基于二维分岔法初步确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件精确确定航行体振动状态。

【技术特征摘要】
1.一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，其特征在于，包括：建立包括尾翼和空化器的超空泡航行体模型；建立超空泡航行体非线性动力学模型；改变尾翼偏转角和空化数并基于二维分岔法初步确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件精确确定航行体振动状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超空泡航行体非线性动力学模型为其中，(z,w,θ,q)分别为航行体所处位置的深度、航行体Z轴方向的速度w、航行体俯仰角、俯仰角速度，X轴与航行体对称轴重合指向前，Z轴垂直于X轴指向下，m为模型平均密度与水密度的密度之比，n为示尾翼效率，V为纵平面内航行体头部空化器的合速度，C为常量，Fgravity为航行体重力，Fplaning为航行体滑行力，C＝1/2Cx(Rn/R)g为重力加速度，h′为超空泡航行体尾部浸没深度，α为超空泡航行体尾翼浸入水中的浸没角，Cx为阻力系数，Rn为空化器半径，R为航行体尾部半径；

【专利技术属性】
技术研发人员：熊天红，吕一品，易文俊，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32