[發明專利]一種航行器自由面跨越過程中的附加質量求解方法

在審

• 申請號: 201910983880.1
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110738420A
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 李永利;吳虎勝;李博敏
• 申請（專利權）人: 中國人民武裝警察部隊工程大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06F17/11
• 代理公司: 61257 西安維賽恩專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 劉春

本發明公開了一種航行器自由面跨越過程中的附加質量求解方法，通過理論推導得出各個附加質量項與理想流體作用力和力矩的關系，對航行器跨越自由液面的過程建立流場數值模型，設定兩組速度相同、加速度相反的運動規律分別計算，并對航行器表面的壓強進行積分獲取表面受力情況，最后采用推導出的求解公式得到附加質量，以提供一種新型的，適用于跨越自由液面過程中的附加質量求解方法。

技術領域

本發明涉及無人機領域，具體涉及一種航行器自由面跨越過程中的附加質量求解方法。

背景技術

隨著海洋工程的興起，人們對船舶和海洋結構物在水中運動時所受的流體動力的研究越來越深入，而這些實際工程中存在大量的流固耦合問題，而在求解流固耦合系統的響應、穩定性時，經常涉及到附加質量的求解。

物體在流體中變速運動，推動物體的理不僅僅要為增加物體的動能做功，還要為增加周圍流體的動能做功，因此具有一定質量的物體要獲得加速度，施加在它上面的力將大于物體質量與加速度的乘積，增加的這部分質量就是附加質量。

目前，附加質量的求解主要通過三種方法：1)利用細長體假設及切片理論進行求解，但此方法有很大的局限性，只適用于長徑比大且外形簡單的物體。2)采用基于勢流理論的數值方法進行求解，此方法盡管精度比較高，但計算復雜且耗時較長。3)通過實驗方法得到附加質量，實驗得到的結果更加真實，但實驗條件要求較高，且目前關于跨越自由液面中航行器附加質量的實驗都還難以實施。

發明內容

本發明的目的是提供一種航行器自由面跨越過程中的附加質量求解方法，以提供一種新型的，適用于跨越自由液面過程中的附加質量求解方法。

本發明采用以下技術方案：一種航行器自由面跨越過程中的附加質量求解方法，通過理論推導得出各個附加質量項與理想流體作用力和力矩的關系，對航行器跨越自由液面的過程建立流場數值模型，設定兩組速度相同、加速度相反的運動規律分別計算，并對航行器表面的壓強進行積分獲取表面受力情況，最后采用推導出的求解公式得到附加質量。

進一步的，具體實現方法步驟如下：

步驟1、根據流體的勢流理論，只考慮航行器在xOy平面的運動，通過設置不同特定初始運動狀態，進而聯合推導得出航行器介質跨越過程中附加質量和附加質量變化率的求解公式：

其中，F_ix、F_iy分別為理想流體作用力在彈體坐標系x軸、y軸方向的分量，M_iz為理想流體動力繞z軸的轉動力矩，λ₁₁、λ₂₂、λ₂₆、λ₆₆為附加質量，為附加質量變化率，v_x、v_y、分別為x軸、y軸方向上的速度和加速度；F_ix+、F_ix-為理想流體作用力在彈體坐標系沿x軸方向上正、負方向的分量；、F_iy+、F_iy-為理想流體作用力在彈體坐標系沿y軸方向上正、負方向的分量；M_iy+、M_iy-為理想流體作用力在彈體坐標系航行器沿y軸正、負方向運動產生的力矩；M_iz+、M_iz-為理想流體作用力在彈體坐標系航行器沿繞z軸逆時針、順時針轉動產生的力矩；

步驟2、構建航行器跨越自由液面運動過程的流場數值模型；

步驟3、任意設定兩組速度相同、加速度相反的初始計算條件，即[υ,υ′,ω,ω′]和[υ,-υ′,ω,-ω′]，采用步驟2構建的數值模型分別進行仿真計算，得到航行器表面壓強；