翼身融合水下滑翔机外形设计与运动分析

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：翼身融合水下滑翔机外形设计与运动分析作者：孙春亚学科专业：兵器科学与技术指导教师：宋保维教授2017年6月ShapeDesignandMotionAnalysisofBlended-Wing-BodyUnderwaterGliderBySunChunyaUndertheSupervisionofProfessorSongBaoweiADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInp

2、artialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofArmamentScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaJune,2017摘要摘要早期的水下滑翔机外形布局都是基于鱼雷回转体外形加双翼的设计，其升阻特性较低，大大限制了水下滑翔机的滑翔效率。为了提高水下滑翔机的水动力性能，本文将航空领域先进的翼身融合布局运用到水下滑翔机的外形设计中，研究了翼身融合水下滑翔机的外形优化设计以及运动性能分析方法。归纳起来，取得的主要创

3、新和成果如下：（1）对比分析了常见的三种水下滑翔机壳体外形的几何参数以及水动力特性，选择扁平椭球体作为翼身融合水下滑翔机的主体外形；在此基础上，又对比分析了不同融合方式的水下滑翔机模型的水动力性能，选取全翼型截面的水下滑翔机作为翼身融合水下滑翔机的初始外形，为外形的参数化建模和优化设计打下基础。（2）根据翼身融合水下滑翔机外形的特点，将其分为剖面翼型、平面形状和展向厚度分布分别进行参数化设计，通过编写程序代码，实现了翼身融合水下滑翔机三维模型的自动生成。（3）本文采用基于Kriging代理模型的高

4、效全局优化方法（EGO方法）建立了流体动力外形优化的数学模型，并编写程序实现了采样点网格的自动划分和流体动力计算；完成了翼身融合水下滑翔机外形优化平台的搭建，并以升阻比为优化目标对翼身融合水下滑翔机进行外形优化设计，通过几何参数灵敏度分析，找出了几何参数对水下滑翔机水动力性能的影响规律。（4）对翼身融合水下滑翔机运动过程的受力情况进行分析，建立翼身融合水下滑翔机空间六自由度运动数学模型；利用计算流体力学方法计算水下滑翔机的附加质量、位置力和旋转导数等流体动力参数；对滑翔机的稳态滑翔运动进行仿真，分

5、析其运动特点，为滑翔能耗模型的建立打下基础。（5）建立翼身融合水下滑翔机稳态运动的数学模型，根据稳态运动的工作原理建立滑翔机的能耗模型；对滑翔机内部容积和能源携带量进行量化，并建立起翼身融合水下滑翔机航程的数学模型。以最大航程为外形优化目标建立翼身融合水下滑翔机的外形优化模型，并对滑翔机进行外形优化。结果表明，以最大航程作为外形优化的优化目标，平衡了滑翔机内部空间与水动力性能在外形优化中的权重，弥补了以最大升阻比为目标的外形优化的缺陷。关键词:翼身融合布局，水下滑翔机，流体动力外形优化设计，Kri

6、ging代理模型，能耗优化，运动仿真–I–AbstractAbstractTheadvantagesofgliders,suchaslowcost,capabilityforlong-rangeandextended-durationdeployments,relyontheshapewhichhasexcellenthydrodynamicperformance.Inthispaper,theauthorappliesblendedwingbodyconfigurationtodesignthes

7、hapeofunderwa-terglidertoimprovethehydrodynamicperformance,andfocusesonthestudyoftheblendedwingbodyshapeoptimizationdesignmethodofunderwaterglider.Themainresultsandinno-vationareasfollows:(1)Thegeometricparametersandhydrodynamiccharacteristicsofthreek

8、indsofthemainbodyofunderwatergliderareanalyzedandcompared.Amongthisthreemainbodies,theflatellipsoidhavebetterhydrodynamiccharacteristics,soitismoresuitableforthemainbodiesofblended-wing-bodyunderwaterglider(BWBUG).Basedonthat,dierentfusionappro