双自由度空化器设计与性能研究.pdf

双自由度空化器设计与性能研究

摘要

超空泡航行体是采用超空泡减阻技术实现高速航行的水下装备，由于其良好的作战

性能并具备隐蔽性好、打击速度快等优势引起了业界广泛的关注，在实际作战中拥有广

阔的应用前景。空化器是安装在航行体头部用于生成空泡的重要装置，同时可用作控制

舵面调节航行体的姿态。目前实际应用的空化器普遍只能实现俯仰或偏航的单自由度偏

转，关于双自由度空化器的研究与应用较少。

为提高超空泡航行体的机动性，进一步提升其作战性能，本文提出了一种创新性双

自由度空化器机构。该机构采用2PUS+Sp的构型方案，通过2个PUS运动支链的伸缩，

可以实现空化器俯仰与偏航双自由度偏转运动，围绕本文提出的设计方案，主要开展的

工作及结论如下：

（1）基于超空泡航行体中空化器的实际功能与作用，制定了双自由度空化器机构

的设计要求；结合少自由度机构的组成原理，提出可实现空化器俯仰与偏航双自由度偏

转的设计方案；对机构中各构件的结构进行详细设计，依据实际工作的需求，通过相关

计算对滚珠丝杆和电机进行合理选型。

（2）对本文提出的双自由度空化器机构进行运动学分析。首先采用解析法分析机

构中原动件与末端构件的运动规律，通过坐标变换法建立空间机构中各构件的位置关系，

推出主、从动件的运动关系表达式。之后采用虚拟样机模拟的手段，对机构进行运动学

仿真验证，检验理论分析的正确性。

（3）为保证机构运行的可靠性，对关键构件进行强度校核。通过受力分析得到机构

中构件间力的传递关系，对于结构简单的构件采用校核计算的方式检验其是否符合强度

要求；对于结构较为复杂的构件采取有限元分析手段，对其进行静力学分析。

运动学分析及虚拟样机仿真的结果显示机构可以实现俯仰与偏航双自由度的转动，

验证了双自由度空化器机构运动的可行性，通过力学分析得到机构中关键部件在实际工

作条件下的受力与变形情况，均满足设计的强度要求。证实机构设计合理，且具有传动

结构简单、运动关系可靠、制造工艺性良好等优点，有较强的工程应用前景。

关键词：超空泡航行体；空化器；双自由度；运动学分析；虚拟样机仿真

双自由度空化器设计与性能研究

Abstract

Supercavitationvehicleisanunderwaterequipmentthatadoptssupercavitationdrag

reductiontechnologytoachievehigh-speednavigation,whichhasattractedwidespread

attentionintheindustryduetoitsgoodcombatperformanceandtheadvantagesofgood

concealmentandfaststrikespeed,andhasbroadapplicationprospectsinactualcombat.The

cavitatorisanimportantdeviceinstalledattheheadofthevehicletogeneratecavitation,and

canbeusedasacontrolruddersurfacetoadjusttheattitudeofthevehicle.Atpresent,theactual

applicationofcavitatorscangenerallyonlyachievesingle-degree-of-freedomdeflectionof

pitchoryaw,andtherearefewresearchandapplicationsondouble-degree-of-freedom

cavitators.

Inordertoimprovethemaneuverabilityofsupercavitationvehiclesand