超空泡射弹技术是兵器科学领域的一个重要研究方向,将超空泡技术应用于水下高速航行体能够有效地减少航行体的运动阻力,拥有巨大的军事应用价值。在水下航行体高速运动过程中,其大部分表面被空泡包裹,与水接触的主要是头部空化器与尾翼。空化数等运动参数影响超空泡的形态与尺寸,空化器偏转角和尾翼偏转角等结构参数影响航行体在超空泡内的运动姿态。由于航行体尾部与空泡壁接触时会产生复杂的非线性滑行力,这种非线性滑行力的出现不仅会增加运动阻力,还会导致航行体的振动和冲击,其中包含了分岔与混沌等复杂的非线性现象。因此,开展超空泡航行体运动参数与结构参数变化所引起的各类非线性现象的研究,分析超空泡航行体的非线性动力学特性,以进一步提高航行体的运动稳定性与运动品质,具有重大的理论研究意义与工程应用价值。本文在空泡流场特性和受力特性分析的基础上,采用多种非线性动力学分析方法,深入研究了结构参数和初始运动参数对超空泡航行体非线性动力学特性与运动稳定性的影响。主要研究内容及成果如下:1.引入空泡流研究领域常用的Logvinovich空泡模型,对非定常条件下的超空泡形态进行了预测。对航行体不同部位所受的流体动力进行分析推导,并描述了非线性滑行力的产生及其对航行体运动的影响。在此基础上,给出了水下超空泡航行体动力学模型。然后阐述了相轨图法、Poincare?映射法等非线性动力学分析方法。2.采用分岔图揭示了超空泡航行体随空化数的变化具有混沌、分岔等非线性物理现象。在平衡点处把系统方程线性化,得到特征方程和特征根,通过Routh-Hurwitz判据判定系统在平衡点处的局部稳定性,进而依据时域分析得到系统在不同空化数下的运动状态。3.针对超空泡航行体受结构参数的影响而运动失稳的问题,采用多种非线性动力学分析方法,详细地分析了航行体动力学模型随参数变化而产生的动力学行为。首先,依据Lyapunov指数谱判定准则绘制空化器半径关于空化数的动力学地图,证实了航行体具有稳定、周期、混沌三种稳态运动,并采用Lyapunov指数谱、相轨图揭示航行体具有瞬态混沌稳态周期的特殊运动状态。然后,通过分岔图呈现了航行体随空化器偏转角的变化出现的混沌、分岔、共存吸引子和不完全费根鲍姆树等非线性物理现象,可以通过调整空化器偏转角的大小来控制航行体的位置和姿态,使其稳定运动。最后,依据平衡点分布图确定了尾翼偏转角与空化数的对应关系,并通过分岔控制法调整尾翼偏转角,延迟Hopf分岔现象的发生,扩大航行体稳定运动的空化数范围,提高航行体的运动稳定性。4.针对超空泡航行体受初始运动参数的影响而运动失稳的问题,基于Lyapunov指数谱,分别绘制了不同结构参数关于空化数的动力学地图,确定了航行体在稳定运动、周期振荡和混沌振荡状态下分别对应的参数范围。然后,通过对比分析动力学地图与平衡点分布图,得到可能存在多稳态现象的参数区域。最后,分别在不同种类的多稳态参数区域内各选取一组参数,运用相轨图与时域图验证了系统中存在多种吸引子共存的现象。结果表明,在同一组空化数与结构参数下,初始运动参数的不同可能会导致航行体完全不同的运动状态,揭示了初始运动参数对超空泡航行体非线性动力学特性的影响。5.基于不同类型的共存吸引子得到吸引域,根据吸引域的大小及其形状的变化分析了超空泡航行体的运动稳定性。其中,稳定平衡点处的吸引域面积越大,航行体在该参数处的运动稳定性越好。然后,采用时域和频域分析法,对航行体在同一结构参数和不同初始运动参数下的运动状态进行了对比和验证。结果表明,在空化数变化不大的参数区域中,运动稳定性随着尾翼偏转角控制增益的增大而减弱。在此基础上,通过参数优化可以进一步提高航行体的运动稳定性。