一种水下航行器用大开角头部构型及水下航行器的制作方法

1.本发明属于水下航行器设计技术领域，特别涉及一种水下航行器用大开角头部构型及水下航行器。


背景技术：

2.头部声学扇面角，是水下航行器水中探测关键性指标。水下航行器的头部外形设计时，需要保证足够大的声学扇面角，并兼顾流体动力性能和结构布局。拥有较大的声学扇面角，能够保证水下航行器在水中行驶时真正做到“眼观六路耳听八方”。然而，传统回转型水下航行器的头部构型，为了保证流体性能，声学扇面相对较小，制约了水下航行器的探测能力。
3.因此，如何提供一种水下航行器用大开角头部构型及水下航行器，能够兼顾考虑声学扇面和流体性能和结构布局，提升水下航行器水下的综合性能,已经成为一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种水下航行器用大开角头部构型及水下航行器，能够兼顾考虑声学扇面和流体性能和结构布局，提升水下航行器水下的综合性能。
5.本发明的一个实施例中，提供一种水下航行器用大开角头部构型，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段1、中部圆柱段2、曲面过渡段3和后部圆柱段4。
6.头部球面段1为半径为r2的半球结构，中部圆柱段2的半径与头部球面段1的半径相同。
7.中部圆柱段2的回转轴线与后部圆柱段4的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离为l1；中部圆柱段2、曲面过渡段3和后部圆柱段4的长度分别为l2、l3、l4，后部圆柱段半径为r1。
8.曲面过渡段3包括n个角度截面曲线，以中部圆柱段2的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/n；
9.其中，r1＞r2＞0，l1、l2、l3、l4为正数，n≥13；
10.所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点p(0)，p(1)，
…
p(n)构造的b样条，即：
[0011][0012]
其中，n为控制点数目，pi为第i各控制点，k为样条次数，k＝2、3、4、5
……
，n
i,k
(u)第i个k次b样条基，通常使用一组非递减数组成的节点矢量[u0,...,um]来定义，其递归形式的计算方法为：
[0013][0014]
进一步地，中部圆柱段2的回转轴线与后部圆柱段4的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离l1为：
[0015]
0.1*(r1-r2)≤l1≤0.9*(r1-r2)。
[0016]
进一步地，所述控制点，包括：
[0017]
p(0)＝(x0，y0)；
[0018]
p(1)＝(x1，y1)；
[0019]
p(2)＝(x2，y2)；
[0020]
…
[0021]
p(n-2)＝(x
n-2
，y
n-2
)；
[0022]
p(n-1)＝(x
n-1
，y
n-1
)；
[0023]
p(n)＝(xn，yn)；
[0024]
其中，x0，y0，x1，y1，x2，y2……
x
n-2
，y
n-2
，x
n-1
，y
n-1
，xn，yn为第i个控制点的在截面平面上的横坐标和纵坐标。
[0025]
进一步地，曲面过渡段3，包括：
[0026]
对设定范围si～sj内的截面数进行加密，θ(i～j)＝180/m，
[0027]
其中，si～sj为第i个和第j个截面(见图3)，m为加密数。
[0028]
本发明实施例的又一个实施例中，提供一种水下航行器，至少包括以上任一项所述的水下航行器用大开角头部构型。
[0029]
本发明所带来的有益效果如下：
[0030]
从上述方案可以看出，本发明实施例提供一种水下航行器用大开角头部构型，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段、中部圆柱段、曲面过渡段和后部圆柱段。头部球面段为半径为r2的半球结构，中部圆柱段的半径与头部球面段半径相同。中部圆柱段的回转轴线与后部圆柱段的回转轴线同位于对称平面。曲面过渡段包括n个角度截面曲线，以中部圆柱段的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/n。所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点构造的b样条。本发明技术方案，能够兼顾考虑声学扇面和流体性能和结构布局，提升水下航行器水下的综合性能。
附图说明
[0031]
图1表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的结构示意图；
[0032]
图2表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的又一结构示意图；
[0033]
图3表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的又一结构示意图；
[0034]
图中，1为头部球面段，2为中部圆柱段，3为曲面过渡段，4为后部圆柱段，l1为中部
圆柱段回转轴线与后部圆柱段在垂直方向距离，l2、l3、l4分别为中部圆柱段、曲面过渡段和后部圆柱段的长度，r1为后部圆柱段半径，r2为头部球面段半径，θ为各截面间的夹角。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
白鲸等海洋生物，互相之间主要通过水声交流，其声音在水下能够覆盖到很广的范围。为此，仿照海洋生物白鲸或海豚等生物头部外形，针对声学扇面角和流体结构进行综合设计，形成一种仿白鲸外形的水下航行器用大开角头部构型，保证了声学扇面最大化和流体阻力最小化，兼顾了结构丰满度的要求。
[0037]
本发明技术方案，提出一种仿白鲸外形的水下航行器用大开角头部构型，解决常规水下航行器声学扇面角狭窄，不能完全兼顾声学性能、流体动力性能、结构布局等约束的问题，为我国水下航行器综合性能提升提供了有力的技术支撑。
[0038]
如图1至图3所示，图1表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的结构示意图；图2表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的又一结构示意图；图3表示本发明实施例的一种水下航行器用大开角头部构型的又一结构示意图。
[0039]
图1中，一种水下航行器用大开角头部构型，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段1、中部圆柱段2、曲面过渡段3和后部圆柱段4。
[0040]
头部球面段1为半径为r2的半球结构，中部圆柱段2的半径与头部球面段1的半径相同。
[0041]
中部圆柱段2的回转轴线与后部圆柱段4的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离为l1；中部圆柱段2、曲面过渡段3和后部圆柱段4的长度分别为l2、l3、l4，后部圆柱段半径为r1。
[0042]
曲面过渡段3包括n个角度截面曲线，以中部圆柱段2的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/n；
[0043]
其中，r1＞r2＞0，l1、l2、l3、l4为正数，n≥13；
[0044]
所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点p(0)，p(1)，
…
p(n)构造的b样条，即：
[0045][0046]
其中，n为控制点数目，pi为第i各控制点，k为样条次数，k＝2、3、4、5
……
，n
i,k
(u)第i个k次b样条基，通常使用一组非递减数组成的节点矢量[u0,...,um]来定义，其递归形式的计算方法为：
[0047][0048]
本发明实施例中，中部圆柱段2的回转轴线与后部圆柱段4的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离l1为：
[0049]
0.1*(r1-r2)≤l1≤0.9*(r1-r2)。
[0050]
其中，所述控制点，包括：
[0051]
p(0)＝(x0，y0)；
[0052]
p(1)＝(x1，y1)；
[0053]
p(2)＝(x2，y2)；
[0054]
…
[0055]
p(n-2)＝(x
n-2
，y
n-2
)；
[0056]
p(n-1)＝(x
n-1
，y
n-1
)；
[0057]
p(n)＝(xn，yn)；
[0058]
其中，x0，y0，x1，y1，x2，y2……
x
n-2
，y
n-2
，x
n-1
，y
n-1
，xn，yn为第i个控制点的在截面平面上的横坐标和纵坐标。
[0059]
曲面过渡段3，包括：
[0060]
对设定范围si～sj内的截面数进行加密，θ(i～j)＝180/m，
[0061]
其中，si～sj为第i个和第j个截面，如图3所示，m为加密数。
[0062]
本发明实施例中，一种水下航行器用大开角头部构型，仿白鲸外形的水下航行器用大开角头部构型，采用非传统回转体模型，具有镜像对称特征。本构型与白鲸头部外形相似度高，且分四段：头部球面段(白鲸嘴尖)、中部圆柱段(白鲸唇部)、曲面过渡段(白鲸额头)和后部圆柱段(白鲸脖颈)。
[0063]
本构型存在两条平行轴线：头部球面段轴线和后部圆柱段轴线，且两条轴线径向偏移一定距离；本构型曲面过渡段左右镜像对称，单个曲面由n各角度不同截面曲线构成，截面曲线构型为多段b样条；本方案声基阵位于前端(头部球面段或中部圆柱段)，声扇面角较传统头部构型更大(本方案形成的声学扇面角在240
°
以上)；本构型内部容积较大，比传统回转体具有更高的丰满度。
[0064]
本方案提出的仿白鲸外形的水下航行器用大开角头部构型，经过大量仿真计算和对比验证，证明本方案能够有效增大水下航行器的声学扇面角，同时提高流体动力特性和结构丰满度，提升水下航行器的综合性能。
[0065]
图3中，曲面过渡段通过多个角度截面曲线s0、s2、
…
sn表示，另一侧为关于对称平面的镜像，以中部圆柱段回转轴为参考，各截面间夹角为θ。为保证构型准确，精度足够，建议截面曲线数不少于13条，增加截面数可在一定程度上提高构型精度，通常设置各截面圆周方向呈均匀分布，即θ＝180/n。若对曲面过渡段局部精度有特殊要求时，可适当对某个范围内(si～sj)截面数进行加密，即θ(i～j)＝180/m，m为加密数。
[0066]
本发明技术方案，各截面曲线在对应角度截面上投影为b样条，可通过多控制点p(0)，p(1)，
…
p(n)来构造的，b样条方法表示：
[0067][0068]
其中，n为控制点数目，pi为第i各控制点，k为样条次数，通常取k＝3，若对截面有特殊要求时，可取k＝2，4，5
…
。
[0069]
其中，控制点：
[0070]
p(0)＝(x0，y0)；
[0071]
p(1)＝(x0，y1)；
[0072]
p(2)＝(x2，y2)；
[0073]
…
[0074]
p(n-2)＝(x
n-2
，y
n-2
)；
[0075]
p(n-1)＝(xn，y
n-1
)；
[0076]
p(n)＝(xn，yn)。
[0077]
本发明技术方案中，截面数、截面夹角值及分布形式可以自行调整，不会影响本方案最终效果，因此调整后的头部构型也在本方案的保护范围内。
[0078]
本发明技术方案中，截面曲线的类型是基于伯恩斯坦基函数所形成的样条曲线，其类型可调整为均匀有理或非均匀有理b样条(nurbs)，其次数和控制点数目也可自行调整，不会影响方案构型的最终效果。因此，基于伯恩斯坦基函数形成的均匀有理或非均匀有理b样条(nurbs)等样条形式，或不同曲线阶次或控制点数目等，也均在本方案的保护范围内。
[0079]
本发明实施例的又一个实施例中，提供一种水下航行器，至少包括以上任一项所述的水下航行器用大开角头部构型。
[0080]
本发明实施例中，提供一种水下航行器用大开角头部构型，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段、中部圆柱段、曲面过渡段和后部圆柱段。头部球面段为半径为r2的半球结构，中部圆柱段的半径与头部球面段半径相同。中部圆柱段的回转轴线与后部圆柱段的回转轴线同位于对称平面。曲面过渡段包括n个角度截面曲线，以中部圆柱段的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/n。所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点构造的b样条。
[0081]
本发明技术方案，能够兼顾考虑声学扇面和流体性能和结构布局，提升水下航行器水下的综合性能。
[0082]
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种水下航行器用大开角头部构型，其特征在于，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段(1)、中部圆柱段(2)、曲面过渡段(3)和后部圆柱段(4)；所述头部球面段(1)为半径为r2的半球结构，所述中部圆柱段(2)的半径与所述头部球面段(1)的半径相同；所述中部圆柱段(2)的回转轴线与所述后部圆柱段(4)的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离为l1；所述中部圆柱段(2)、曲面过渡段(3)和后部圆柱段(4)的长度分别为l2、l3、l4，所述后部圆柱段半径为r1；所述曲面过渡段(3)包括n个角度截面曲线，以所述中部圆柱段(2)的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/n；其中，r1＞r2＞0，l1、l2、l3、l4为正数，n≥13；所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点p(0)，p(1)，
…
p(n)构造的b样条，即：其中，n为控制点数目，p
i
为第i各控制点，k为样条次数，k＝2、3、4、5
……
，n
i,k
(u)第i个k次b样条基，通常使用一组非递减数组成的节点矢量[u0,...,u
m
]来定义，其递归形式的计算方法为：2.根据权利要求1所述的一种水下航行器用大开角头部构型，其特征在于，所述中部圆柱段(2)的回转轴线与所述后部圆柱段(4)的回转轴线同位于对称平面，其回转轴线在垂直方向距离l1为：0.1*(r1-r2)≤l1≤0.9*(r1-r2)。3.根据权利要求1所述的一种水下航行器用大开角头部构型，其特征在于，所述控制点，包括：p(0)＝(x0，y0)；p(1)＝(x1，y1)；p(2)＝(x2，y2)；
…
p(n-2)＝(x
n-2
，y
n-2
)；p(n-1)＝(x
n-1
，y
n-1
)；p(n)＝(x
n
，y
n
)；其中，x0，y0，x1，y1，x2，y2……
x
n-2
，y
n-2
，x
n-1
，y
n-1
，x
n
，y
n
为第i个控制点的在截面平面上的
横坐标和纵坐标。4.根据权利要求1所述的一种水下航行器用大开角头部构型，其特征在于，所述曲面过渡段(3)，包括：对设定范围si～sj内的截面数进行加密，θ(i～j)＝180/m，其中，si～sj为第i个和第j个截面，m为加密数。5.一种水下航行器，其特征在于，所述水下航行器至少包括如权利要求1至4任一项所述的水下航行器用大开角头部构型。

技术总结
本发明实施例提供一种水下航行器用大开角头部构型及水下航行器，所述头部构型为左右对称、上下非对称结构，其从轴线方向上，包括：头部球面段、中部圆柱段、曲面过渡段和后部圆柱段。头部球面段为半径为R2的半球结构，中部圆柱段的半径与头部球面段半径相同。中部圆柱段的回转轴线与后部圆柱段的回转轴线同位于对称平面。曲面过渡段包括N个角度截面曲线，以中部圆柱段的回转轴为参考，各截面间的夹角为θ，各角度截面在圆周方向呈均匀分布，θ＝180/N。所述各角度截面曲线在对应角度截面上的投影为控制点构造的B样条。本发明技术方案，能够兼顾考虑声学扇面和流体性能和结构布局，提升水下航行器水下的综合性能。提升水下航行器水下的综合性能。提升水下航行器水下的综合性能。


技术研发人员：丁永乐 杨智栋 谭坤 李荣融 王梦豪
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七〇五研究所
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/4/18