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车载武器系统重装空投着陆缓冲特性研究

作　者: 唐晓慧
导　师: 钱林方
学　校: 南京理工大学
专　业: 火炮、自动武器与弹药工程
关键词: 重装空投着陆缓冲气囊悬架车架强度分析接触动力学刚体动力学稳定性优化设计
分类号: E91
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

着陆缓冲技术是重装空投的关键技术之一。通常重装空投中货台会以一个较大的速度着陆,着陆过程中必须采取一定的缓冲措施来保证着陆的安全和平稳,最主要的缓冲手段是气囊缓冲技术。本文以某国防预研课题为背景,基于有限元方法、流固耦合理论、弹塑性动力学,接触力学、刚体运动学及结构优化设计等理论,从气囊缓冲技术的研究入手,对重装空投着陆缓冲中的各项关键技术进行了深入的探讨,主要研究内容如下：(1)考虑到气囊缓冲技术在重装空投中的重要性,首先对气囊的缓冲过程进行研究分析。基于均压方程,利用控制体积法和有限元法相结合的方法,建立气囊缓冲的有限元模型,利用LS-DYNA瞬态有限元分析软件进行气囊的缓冲特性研究,得出其缓冲特性。(2)针对重装空投中载荷高、冲击大的特点,对车载武器系统的底盘进行强度分析。综合考虑了重装空投系统悬架、轮胎、气囊的缓冲效应,建立某重装空系统投着陆缓冲的动力学模型,以货台的位移为激励,计算出悬架在该激励下的响应,并通过分析悬架行程估算出悬架强度是否满足要求。在此基础上基于控制体积法和有限元法,建立了空投缓冲系统的仿真模型,综合考虑了气囊、悬架及可压缩结构的缓冲效应,据此分析了缓冲系统的缓冲特性和车架强度。(3)针对气囊的存在使得重装空投系统的重心增高的特点,对重装空投的稳定性进行了研究。将重装空投软着陆过程分解为两个阶段分别考虑：气囊缓冲阶段及货台与地面接触碰撞阶段。在第一个阶段,基于热力学方程及能量守恒原理,建立了气囊的缓冲模型,分析其缓冲特性,并得到货台与地面接触前的速度及姿态；在第二阶段,基于刚体动力学和接触动力学的方法,建立了货台与地面的碰撞模型,通过对具有水平速度的货台与地面的接触碰撞分析,得到货台碰撞后的速度和转角,据此分析重装空投的稳定性。(4)针对通过经验或者实验方式很难获得比较理想的缓冲特性的特点,提出了气囊的多目标优化方法。以气囊的高度、排气口的面积、气囊的初始压力及泄气压力为设计变量,以货台的过载、货台的着陆速度为优化目标,采用合适的设计试验方法及优化算法,以多学科优化软件mode-FRONTIER为平台,集成了Ls-PrePost、Ls-Dyna等软件,对缓冲气囊进行多目标优化,从而提升气囊的缓冲性能,使货台的过载及稳定性都能比较理想。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
1 绪论  10-17
  1.1 选题背景和研究意义  10
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  10-15
    1.2.1 重装空投着陆方式概述  10-11
    1.2.2 气囊的发展变迁  11
    1.2.3 气囊缓冲仿真算法  11-13
    1.2.4 可压缩缓冲材料的发展  13-14
    1.2.5 结构优化设计  14-15
    1.2.6 动态接触问题  15
  1.3 本文主要研究内容和章节安排  15-17
2 气囊缓冲特性综合分析  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 理论方法与技术途径  17-19
    2.2.1 控制体积法介绍  17-18
    2.2.2 LS-DYNA中气囊模型的处理  18-19
    2.2.3 过载  19
  2.3 气囊缓冲特性分析  19-22
    2.3.1 引言  19-20
    2.3.2 气囊的有限元模型  20-21
    2.3.3 仿真计算  21-22
    2.3.4 缓冲特性分析  22
  2.4 气囊各参数对缓冲特性的影响  22-25
    2.4.1 排气口大小影响  23-24
    2.4.2 排气口泄气压力的影响  24-25
    2.4.3 气囊初始压力的影响  25
  2.5 本章小结  25-27
3 某车载武器系统重装空投底盘强度校核  27-43
  3.1 引言  27
  3.2 理论方法与技术途径  27-28
    3.2.1 结构有限元概述  27
    3.2.2 UG的同步建模技术  27-28
    3.2.3 Hypermesh简介  28
    3.2.4 Ls-dyna简介  28
  3.3 悬架强度校核  28-31
    3.3.1 悬架强度估算方法  28-29
    3.3.2 缓冲系统动力学模型建立  29-30
    3.3.3 悬架强度估算  30-31
  3.4 车架强度校核  31-41
    3.4.1 引言  31
    3.4.2 可压缩结构为泡沫铝时的强度校核  31-37
    3.4.3 可压缩结构为木材时的强度校核  37-41
  3.5 本章小结  41-43
4 着陆缓冲稳定性分析  43-57
  4.1 引言  43-44
  4.2 气囊缓冲计算  44-47
    4.2.1 货台无水平速度时的缓冲特性  44-45
    4.2.2 解析法和CV算法的对比  45-46
    4.2.3 货台有水平速度时运动分析  46-47
  4.3 货台与地面的接触碰撞计算  47-52
    4.3.1 引言  47-48
    4.3.2 接触状态描述  48-49
    4.3.3 碰撞计算  49-52
  4.4 算例分析  52-55
    4.4.1 气囊缓冲计算  52-53
    4.4.2 压缩过程计算  53-54
    4.4.3 恢复过程计算  54-55
    4.4.4 稳定性分析  55
  4.5 本章小结  55-57
5 缓冲气囊的参数优化设计  57-68
  5.1 引言  57
  5.2 主要理论与方法  57-60
    5.2.1 多目标优化的基本问题  57-58
    5.2.2 多目标优化解决方法  58-59
    5.2.3 多学科优化软件mode-FRONTIER简介  59-60
  5.3 气囊优化模型的建立  60-65
    5.3.1 设计变量的确定及取值范围  60
    5.3.2 目标函数的确定  60-61
    5.3.3 优化数学模型的建立  61
    5.3.4 有限元模型的简化  61-62
    5.3.5 优化算法及DOE方法选择  62-63
    5.3.6 优化流程及参数设置  63-65
  5.4 优化结果分析  65-67
    5.4.1 优化结果分析  65-66
    5.4.2 优化参数选取  66-67
    5.4.3 优化后缓冲性能分析  67
  5.5 本章小结  67-68
6 全文工作总结  68-70
  6.1 本文主要工作和结论  68
  6.2 研究展望  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-74

车载武器系统重装空投着陆缓冲特性研究

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