"流体-结构-控制"耦合作用下大尺度高速展开机构的碰撞能量管理

本项目以水下高速运动并快速展开的导航机构为对象，通过对限位块的变形历程控制，探讨动态调整碰撞能量吸收、并最终优化展开角度的系统控制方法。将计算流体力学和非线性有限元法相结合，研究大尺度、大位移、弹塑性薄壳结构在高速流体冲击下、快速展开过程的流-固耦合动态仿真方法；提出流-固耦合问题的一致尺度律，并通过不同比例的缩比试验加以验证；对缓冲结构的压溃模式及吸能历程进行主动控制，实现水下自适应、高体积比吸能（单位体积吸能量）缓冲结构的动态能量实时管理；进行"流体-结构-控制"耦合系统的多学科优化。用缓冲结构变形历程控制舵板展开过程，实现被控制目标的远距离抛射，为水下导航结构设计提供理论依据。

针对水下大尺度高速运动并快速展开的导航机构试验实施的危险性和高成本，主要研究了受流体驱动并承受冲击载荷的流-固耦合系统数值仿真方法，以及轻质替代材料冲击吸能机理及吸能过程控制的理论和方法。经过三年的研究，对水下大位移及冲击大变形问题，提出了在空间域采用径向基函数进行界面数据映射，在时间域采用顺序迭代的流固耦合数值模拟方法，并编制了相应的软件模块；开发了通用试验平台，可实现高速流体驱动结构运动、验证各种流-固耦合仿真算法、进行冲击吸能装置校核以及水下运动系统的瞬态响应测试等功能；研究了多种轻质替代材料在冲击载荷下的吸能机理及碰撞吸能特性，提出了跨尺度进行刚度和断裂性能分析的方法；提出一种在空间约束条件下，管系吸能结构拓扑形式及尺寸优化设计理论和方法；探索了流-固耦合冲击问题的尺度效应及应用智能材料实现自适应吸能的控制策略。课题所提供的仿真方法、试验装置、设计理论和初步探索结果，为水下发射装置的设计提供了理论指导及仿真验证方法，以及进一步优化的思路。该成果对各种流-固耦合算法的试验验证、含大位移及大变形的冲击过程仿真、轻质复合材料冲击吸能多尺度分析等问题提供了有用的分析工具和技术方法。