超空泡运动体壳体的可靠性及优化设计
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摘要
空泡现象从发现至今,已经历了几代人的认识和研究。俄罗斯超空泡鱼雷的成功研制,引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。本论文的主要研究工作包括：
简要回顾了各国超空泡的发展概况,介绍了结构可靠性及优化设计的基本原理和常用方法以及有关超空泡流动过程的一些基础知识。详细介绍了仿生物学优化方法-神经网络法,并对相关公式进行了推导及网络设计中应注意的几个问题进行了归纳总结。
在基于ANYSY的可靠性分析中以固体壳单元建模,采用蒙特卡罗法对某模拟模型进行了可靠性分析,最终确定可靠度的失效区间。在优化设计中采用直接法得到初始设计点,利用BP神经网络的非线性映射功能模拟得到设计变量与系统可靠度之间的显性函数表达式,得到最终设计点。
在空泡研究中,清楚地对超空泡鱼雷结构进行可靠性的研究及优化设计,将会为它的结构设计奠定基础,也为设想它的控制方案提供必要的依据。并对估算超空泡阻力、实施减阻方案以及对超空泡鱼雷、空化器进行外形设计提供了理论根据。
Up to now, the cavitations phenomenon has been already experienced several generations'understanding and researching since discovered. The first supercavitating torpedo was manufactured by Russia, which aroused the fever of study the supercavitation in many countries. The main contributions of this thesis are as follows:
A brief review of the development of supercavitation profile in countries was given; the basic theory and algorithm of structure reliability and optimization was introduced, and so was some basic acknowledge of the flow process of the supercavitation.The bionics based optimization algorithm-neural network was introduced in detail, some related formulas were deduced and details appeared in the process of network designing were induced.
By using solid shell element, a reliability analysis was applied using Monte Carlo method for the experimental model, and finally the failure interval of the reliability was determined, the direct method was chosen for ANSYS based optimization to obtain some initial design points, by using non-linear mapping function in BP neural network, the dominant function expression between system reliability and design variables was simulated, and the final design points were obtained.
In the cavitation research, Clearly conducting the research to supercavitating torpedo structure reliability and optimization.Making profound study will lay the a solid foundation for the structural design, as well providing the necessary basis.for conceiving a control scheme, and a rationale could be provided for estimating supercavitation resistance, implementing drag-reducing program and the design of the supercavitation torpedoes and the cavitations device's shape.
简要回顾了各国超空泡的发展概况,介绍了结构可靠性及优化设计的基本原理和常用方法以及有关超空泡流动过程的一些基础知识。详细介绍了仿生物学优化方法-神经网络法,并对相关公式进行了推导及网络设计中应注意的几个问题进行了归纳总结。
在基于ANYSY的可靠性分析中以固体壳单元建模,采用蒙特卡罗法对某模拟模型进行了可靠性分析,最终确定可靠度的失效区间。在优化设计中采用直接法得到初始设计点,利用BP神经网络的非线性映射功能模拟得到设计变量与系统可靠度之间的显性函数表达式,得到最终设计点。
在空泡研究中,清楚地对超空泡鱼雷结构进行可靠性的研究及优化设计,将会为它的结构设计奠定基础,也为设想它的控制方案提供必要的依据。并对估算超空泡阻力、实施减阻方案以及对超空泡鱼雷、空化器进行外形设计提供了理论根据。
Up to now, the cavitations phenomenon has been already experienced several generations'understanding and researching since discovered. The first supercavitating torpedo was manufactured by Russia, which aroused the fever of study the supercavitation in many countries. The main contributions of this thesis are as follows:
A brief review of the development of supercavitation profile in countries was given; the basic theory and algorithm of structure reliability and optimization was introduced, and so was some basic acknowledge of the flow process of the supercavitation.The bionics based optimization algorithm-neural network was introduced in detail, some related formulas were deduced and details appeared in the process of network designing were induced.
By using solid shell element, a reliability analysis was applied using Monte Carlo method for the experimental model, and finally the failure interval of the reliability was determined, the direct method was chosen for ANSYS based optimization to obtain some initial design points, by using non-linear mapping function in BP neural network, the dominant function expression between system reliability and design variables was simulated, and the final design points were obtained.
In the cavitation research, Clearly conducting the research to supercavitating torpedo structure reliability and optimization.Making profound study will lay the a solid foundation for the structural design, as well providing the necessary basis.for conceiving a control scheme, and a rationale could be provided for estimating supercavitation resistance, implementing drag-reducing program and the design of the supercavitation torpedoes and the cavitations device's shape.
引文
[1]闫璞,池建文,茹呈瑶.从伊朗试射超空泡鱼雷看世界超空泡武器的发展.外军瞭望.2006,32(7)：68-70
[2]李明权.超空泡武器技术.现代军事.2001,(8)：38-40
[3]Kirschner N, Gieseke T A, Kuklinski R, et al. Supercavitation Research and Development. Proc Undersea Defense Technologies.2001
[4]傅金祝.德国超空泡水中兵器的研究现状.水雷战与舰船防护.2005,(4)： 12-17
[5]海天.未来海战的杀手锏.舰载武器.2005,(12)：75-78
[6]宋伟峰.超空泡技术将改变海战模式.舰载武器.2003,(2)：20-22
[7]陈兢.新概念武器一超空泡水下高速武器.飞航导弹.2004,34(10)：34-37
[8]董世汤.有厚度水翼局部空泡流的理论解.中国造船.1983,(1)：15-27
[9]赵键,汪鸿振,朱物华.关于空泡动力学方程精确度的分析.中山大学学报(自然科学版).1994,33(1)：13-187
[10]杨志明.初生空化比尺效应的讨论和验证.水动力学研究与进展.2008,23(5)：580-584
[11]朱小敏,颜开,江汉明.空泡及分离尾流对细长回转体附加质量影响的试验研究.船舶力学.1998,2(10)：28-34
[12]谢正桐,何友声,朱世权.小攻角带空泡细长体的试验研究.水动力学研究与进展.2001,16(3)：374-381.
[13]陈伟政,张宇文,李斌.轴对称超空泡流稳定性分析.船舶力学.2006,10(1)：3-8
[14]陈伟政,张宇文,袁绪龙.重力场对轴对称体稳定空泡形态影响的实验研究.西北工业大学学报.2004,22(3)：274-278
[15]袁绪龙,张宇文,刘乐华等.水下航行体通气超空泡形态实验研究.应用力学学报.2004,21(3)：33-37
[16]邓飞,张宇文,袁绪龙等.水下超空泡航行体流体动力设计原理研究.西北工业大学学报.2004,22(6)：806-810
[17]刘桦,刘庆华,胡天群.带空泡轴对称细长体水动力脉动的实验研究.水动力学研究与进展.2004,19(6)：794-800
[18]顾永维,安伟光,安海.水下高速运动体的抗弯稳定可靠性分析.哈尔滨工程大学学报.2008,29(7)：684-686
[19]傅慧萍,鲁传敬,吴磊.回转体空泡流特性研究.水动力学研究与进展.2005,20(1)：84-89
[20]陈鑫,鲁传敬,吴磊.通气空泡流的多相流模型与数值模拟.水动力学研究与进展.2005,20(1)：916-920
[21]贾力平,张嘉钟,于开平等.空化器线形与超空泡减阻效果关系研究.船舶工程.2006,28(2)：20-23
[22]刘志勇,颜开,王宝寿.潜射导弹尾空泡从生成到拉断过程的数值模拟.船舶力学.2005,9(1)：43-50
[23]冯光,颜开.超空泡航行体水下弹道的数值计算.船舶力学.2005,9(2)：1-8
[24]汤继斌,钟诚文.空化、超空化流动的数值模拟方法研究.力学学报.2005,37(5)：640-644
[25]董聪.现代结构系统可靠性理论及其应用.科学出版社,2001：1-10
[26]安伟光,蔡荫林,陈伟东.随机结构系统可靠性分析与优化设计.哈尔滨工程大学出版社,2005：14-29
[27]王永菲,王成国.响应面法的理论与应用.中央民族大学学报(自然科学版).2005,14(3)：236-239
[28]R.GGHANEM, P.D.SPANOS. Spectral Stochastic Finite-Element Formulation for Reliability Analysis. ASCE J. Eng. Mech.1991,117 (10):2351-2372.
[29]张义民,林逸,刘巧伶.当联合概率密度未知时随机结构可靠性分析的随机有限元法.吉林工业大学学报.1993,23(4)：9-14
[30]张义民,陈塑寰,周振平,刘铁强.静力分析的一般随机摄动法.应用数学和力学.1995,16(8)：709-714
[31]蒋红梅.燃气轮机主要构件可靠性分析.哈尔滨工程大学工学硕士论文.2008：1-5
[32]Mcculloch W S, Pittsw. A Logical Calculus of The Ideas Immanent in Nervous Activity. Bulletin of Mathematical Biophysics.1943, (5):115-133
[33]Martin T.Hagan Howard B.Demuth Mark H.Beale神经网络设计.戴葵.机械工业出版社,2002：1-4
[34]Fredric M. Ham Ivica Kostanic.神经计算原理.叶世伟,王海娟.机械工业出版社,2007：1-52
[35]Rumelhart D E, Hinton G E, Williams R J. Learning Representations of BackpropagationErrors. Nature(London).1986, (323):533-536
[36]Papadrakakis M, Papadopoulos V and Lagaros N D. Structural reliability analysis of elastic-plastic structures using neural networks and Monte Carlo simulation. ComPut.Meth.Appl.Meeh.Engrg.1996, (136):145-163
[37]梁艳春.计算智能与力学反问题中的若干问题.力学进展.2000,30(3)：321-331
[38]毛政良,张圣坤.人工神经网络在结构可靠性中的应用.上海交通大学学报.1997,31(11)：86-90
[39]吴剑国,赵丽萍.工程结构优化的神经网络方法.计算力学学报.1998,15(1)：69-74
[40]安伟光.结构系统可靠性和基于可靠性的优化设计.国防工业出版社,1997：5-30
[41]张新民.机械可靠性设计的工程方法探讨.焦作矿业学院学报.1995,14(6)：98-104
[42]李典庆,周建方.结构可靠性计算方法述评.河海大学常州分校学报.2000,14(1)：34-42
[43]吕震宙,冯蕴雯.结构可靠性问题研究的若干进展.力学进展.2000,30(1)： 21-27
[44]陈建康等.点可靠度计算方法进展.四川水利发电.2002,21(3)：74-76
[45]李海燕,张宪民,彭惠青.柔顺结构的疲劳可靠性优化设计.中国机械工程.2004,15(23)：2130-2133
[46]赵维涛,安伟光,严心池.二阶二次矩可靠性指标.哈尔滨工程大学学报.2004,25(2)：240-242
[47]谭忠盛,王梦恕.隧道衬彻结构可靠度分析的二次二阶矩法.岩石力学与工程学报.2004,23(13)：2243-2247
[48]陈怀海.非确定结构系统区间分析的直接优化法.南京航空航天大学学报.1999,31(2)：146-150
[49]唐焕文,秦学志.实用最优化方法.大连理工大学出版社,2004：31-304
[50]杨伟军,汤昶.结构可靠性优化方法研究展望.基建优化.1998,19：39-41
[51]邢文训,谢金星.现代优化计算方法.清华大学出版社,2005：113-193
[52]顾巍,何友声,胡天群小攻角水翼空泡流瞬态与周期现象试验[J].上海交通大学学报.1998,32(8)：86-92
[53]何友声,刘桦,赵岗.二维空泡流的脉动性态研究.力学学报.1997,29(1)： 1-7
[54]Feng Xuemei, Lu Chuanjing, Hu Tianqun. Experimental research on a supercavitating slender body of revolution with ventilation. J. Hydrodynamics.2002(2):17-23
[55]Kuklinski R, Henoch C, Castano J. Experimental study of ventilated cavities on dynamic test model.4th International Symposium on Cavitation, California:California Institute of Technology,2001
[56]于开平,蒋增辉.超空泡形状计算及相关试验研究.飞航导弹.2005,(12)：15-22
[57]王鹏,王树宗.应用在鱼雷上的超空泡技术分析.舰船科学技术.2005,27(2)：77-80
[58]Ihor Nesteruk.超空泡减阻基础.哈尔滨工程大学自印讲义,2006：13-28
[59]苏守丽.水下高速运动体结构可靠性分析.哈尔滨工程大学硕士论文.2007：9-11
[60]陶玉杰.二层线性规划的灵敏度分析.通化师范学院学报.2006,27(4)：6-9
[61]曹伟,魏英杰,王聪,邹振祝,黄文虎.超空泡技术现状、问题与应用.哈尔滨工业大学学报.2006,36(4)：571-576
[62]Savchenko Y N. Supercavitation-problems and perspectives. Christopher E B, ed.4th International Symposium on Cavitation, California,2006, (6): 20-23
[63]马艳霞.人工神经网络发展之浅见.吉林广播电视大学学报.2007,(5)：111-120
[64]易军,许忠保,刘小鹏.人工神经网络技术的工程应用与展望.湖北工业大学学报.2007,22(3)：18-22
[65]周政.BP神经网络的发展现状综述.山西电子技术.2008,(2)：90-92
[66]闻新,周露,李翔,张宝伟.MATLAB神经网络仿真与应用.科学出版社,2003：237-281
[67]张良均,曹晶,蒋世忠.神经网络实用教程.机械工业出版社,2008：73-86
[68]严云.基于ANSYS参数化设计语言的结构优化设计.华东交通大学学报.2004,(8)：52-54.
[69]任重.ANSYS实用分析教程.北京大学出版社,2003：248-326
[2]李明权.超空泡武器技术.现代军事.2001,(8)：38-40
[3]Kirschner N, Gieseke T A, Kuklinski R, et al. Supercavitation Research and Development. Proc Undersea Defense Technologies.2001
[4]傅金祝.德国超空泡水中兵器的研究现状.水雷战与舰船防护.2005,(4)： 12-17
[5]海天.未来海战的杀手锏.舰载武器.2005,(12)：75-78
[6]宋伟峰.超空泡技术将改变海战模式.舰载武器.2003,(2)：20-22
[7]陈兢.新概念武器一超空泡水下高速武器.飞航导弹.2004,34(10)：34-37
[8]董世汤.有厚度水翼局部空泡流的理论解.中国造船.1983,(1)：15-27
[9]赵键,汪鸿振,朱物华.关于空泡动力学方程精确度的分析.中山大学学报(自然科学版).1994,33(1)：13-187
[10]杨志明.初生空化比尺效应的讨论和验证.水动力学研究与进展.2008,23(5)：580-584
[11]朱小敏,颜开,江汉明.空泡及分离尾流对细长回转体附加质量影响的试验研究.船舶力学.1998,2(10)：28-34
[12]谢正桐,何友声,朱世权.小攻角带空泡细长体的试验研究.水动力学研究与进展.2001,16(3)：374-381.
[13]陈伟政,张宇文,李斌.轴对称超空泡流稳定性分析.船舶力学.2006,10(1)：3-8
[14]陈伟政,张宇文,袁绪龙.重力场对轴对称体稳定空泡形态影响的实验研究.西北工业大学学报.2004,22(3)：274-278
[15]袁绪龙,张宇文,刘乐华等.水下航行体通气超空泡形态实验研究.应用力学学报.2004,21(3)：33-37
[16]邓飞,张宇文,袁绪龙等.水下超空泡航行体流体动力设计原理研究.西北工业大学学报.2004,22(6)：806-810
[17]刘桦,刘庆华,胡天群.带空泡轴对称细长体水动力脉动的实验研究.水动力学研究与进展.2004,19(6)：794-800
[18]顾永维,安伟光,安海.水下高速运动体的抗弯稳定可靠性分析.哈尔滨工程大学学报.2008,29(7)：684-686
[19]傅慧萍,鲁传敬,吴磊.回转体空泡流特性研究.水动力学研究与进展.2005,20(1)：84-89
[20]陈鑫,鲁传敬,吴磊.通气空泡流的多相流模型与数值模拟.水动力学研究与进展.2005,20(1)：916-920
[21]贾力平,张嘉钟,于开平等.空化器线形与超空泡减阻效果关系研究.船舶工程.2006,28(2)：20-23
[22]刘志勇,颜开,王宝寿.潜射导弹尾空泡从生成到拉断过程的数值模拟.船舶力学.2005,9(1)：43-50
[23]冯光,颜开.超空泡航行体水下弹道的数值计算.船舶力学.2005,9(2)：1-8
[24]汤继斌,钟诚文.空化、超空化流动的数值模拟方法研究.力学学报.2005,37(5)：640-644
[25]董聪.现代结构系统可靠性理论及其应用.科学出版社,2001：1-10
[26]安伟光,蔡荫林,陈伟东.随机结构系统可靠性分析与优化设计.哈尔滨工程大学出版社,2005：14-29
[27]王永菲,王成国.响应面法的理论与应用.中央民族大学学报(自然科学版).2005,14(3)：236-239
[28]R.GGHANEM, P.D.SPANOS. Spectral Stochastic Finite-Element Formulation for Reliability Analysis. ASCE J. Eng. Mech.1991,117 (10):2351-2372.
[29]张义民,林逸,刘巧伶.当联合概率密度未知时随机结构可靠性分析的随机有限元法.吉林工业大学学报.1993,23(4)：9-14
[30]张义民,陈塑寰,周振平,刘铁强.静力分析的一般随机摄动法.应用数学和力学.1995,16(8)：709-714
[31]蒋红梅.燃气轮机主要构件可靠性分析.哈尔滨工程大学工学硕士论文.2008：1-5
[32]Mcculloch W S, Pittsw. A Logical Calculus of The Ideas Immanent in Nervous Activity. Bulletin of Mathematical Biophysics.1943, (5):115-133
[33]Martin T.Hagan Howard B.Demuth Mark H.Beale神经网络设计.戴葵.机械工业出版社,2002：1-4
[34]Fredric M. Ham Ivica Kostanic.神经计算原理.叶世伟,王海娟.机械工业出版社,2007：1-52
[35]Rumelhart D E, Hinton G E, Williams R J. Learning Representations of BackpropagationErrors. Nature(London).1986, (323):533-536
[36]Papadrakakis M, Papadopoulos V and Lagaros N D. Structural reliability analysis of elastic-plastic structures using neural networks and Monte Carlo simulation. ComPut.Meth.Appl.Meeh.Engrg.1996, (136):145-163
[37]梁艳春.计算智能与力学反问题中的若干问题.力学进展.2000,30(3)：321-331
[38]毛政良,张圣坤.人工神经网络在结构可靠性中的应用.上海交通大学学报.1997,31(11)：86-90
[39]吴剑国,赵丽萍.工程结构优化的神经网络方法.计算力学学报.1998,15(1)：69-74
[40]安伟光.结构系统可靠性和基于可靠性的优化设计.国防工业出版社,1997：5-30
[41]张新民.机械可靠性设计的工程方法探讨.焦作矿业学院学报.1995,14(6)：98-104
[42]李典庆,周建方.结构可靠性计算方法述评.河海大学常州分校学报.2000,14(1)：34-42
[43]吕震宙,冯蕴雯.结构可靠性问题研究的若干进展.力学进展.2000,30(1)： 21-27
[44]陈建康等.点可靠度计算方法进展.四川水利发电.2002,21(3)：74-76
[45]李海燕,张宪民,彭惠青.柔顺结构的疲劳可靠性优化设计.中国机械工程.2004,15(23)：2130-2133
[46]赵维涛,安伟光,严心池.二阶二次矩可靠性指标.哈尔滨工程大学学报.2004,25(2)：240-242
[47]谭忠盛,王梦恕.隧道衬彻结构可靠度分析的二次二阶矩法.岩石力学与工程学报.2004,23(13)：2243-2247
[48]陈怀海.非确定结构系统区间分析的直接优化法.南京航空航天大学学报.1999,31(2)：146-150
[49]唐焕文,秦学志.实用最优化方法.大连理工大学出版社,2004：31-304
[50]杨伟军,汤昶.结构可靠性优化方法研究展望.基建优化.1998,19：39-41
[51]邢文训,谢金星.现代优化计算方法.清华大学出版社,2005：113-193
[52]顾巍,何友声,胡天群小攻角水翼空泡流瞬态与周期现象试验[J].上海交通大学学报.1998,32(8)：86-92
[53]何友声,刘桦,赵岗.二维空泡流的脉动性态研究.力学学报.1997,29(1)： 1-7
[54]Feng Xuemei, Lu Chuanjing, Hu Tianqun. Experimental research on a supercavitating slender body of revolution with ventilation. J. Hydrodynamics.2002(2):17-23
[55]Kuklinski R, Henoch C, Castano J. Experimental study of ventilated cavities on dynamic test model.4th International Symposium on Cavitation, California:California Institute of Technology,2001
[56]于开平,蒋增辉.超空泡形状计算及相关试验研究.飞航导弹.2005,(12)：15-22
[57]王鹏,王树宗.应用在鱼雷上的超空泡技术分析.舰船科学技术.2005,27(2)：77-80
[58]Ihor Nesteruk.超空泡减阻基础.哈尔滨工程大学自印讲义,2006：13-28
[59]苏守丽.水下高速运动体结构可靠性分析.哈尔滨工程大学硕士论文.2007：9-11
[60]陶玉杰.二层线性规划的灵敏度分析.通化师范学院学报.2006,27(4)：6-9
[61]曹伟,魏英杰,王聪,邹振祝,黄文虎.超空泡技术现状、问题与应用.哈尔滨工业大学学报.2006,36(4)：571-576
[62]Savchenko Y N. Supercavitation-problems and perspectives. Christopher E B, ed.4th International Symposium on Cavitation, California,2006, (6): 20-23
[63]马艳霞.人工神经网络发展之浅见.吉林广播电视大学学报.2007,(5)：111-120
[64]易军,许忠保,刘小鹏.人工神经网络技术的工程应用与展望.湖北工业大学学报.2007,22(3)：18-22
[65]周政.BP神经网络的发展现状综述.山西电子技术.2008,(2)：90-92
[66]闻新,周露,李翔,张宝伟.MATLAB神经网络仿真与应用.科学出版社,2003：237-281
[67]张良均,曹晶,蒋世忠.神经网络实用教程.机械工业出版社,2008：73-86
[68]严云.基于ANSYS参数化设计语言的结构优化设计.华东交通大学学报.2004,(8)：52-54.
[69]任重.ANSYS实用分析教程.北京大学出版社,2003：248-326