兵工学报

2021, 42(4): 0.

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远程火炮弹丸起始扰动的动力学特性

丁树奎，王良明，杨志伟，丁旭冉

2021, 42(4): 673-683. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.001

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为研究远程火炮射击时弹丸起始扰动的形成机理，基于凯恩动力学方法建立火炮动坐标系下弹丸动力学模型。基于该模型提出火炮运动环境下的弹丸运动描述方法，给出弹与炮相互作用力和力矩的表达式。结合工程实际，对弹丸在发射过程中运动规律进行理论研究。通过仿真验证弹与炮间隙、弹丸质量偏心、膛内火药气体泄漏以及身管弯曲、身管弹性振动和炮架跳动对弹丸起始扰动的影响。结果表明：膛内火药气体泄漏会造成弹丸膛内运动异常，产生恶劣的起始扰动；身管弯曲和身管弹性振动对起始扰动有明显影响，炮架跳动对弹丸膛内运动及起始扰动影响不是很大；研究成果可为改进远程火炮设计和提高射击精度提供重要理论参考依据。

基于遗传算法优化和模糊控制动态优化的自动变速器换挡规律设计

高子茵，杜明刚，李慎龙，李晋

2021, 42(4): 684-696. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.002

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为提高轻型越野战术车辆的整车动力性，针对车辆的自动变速器换挡规律进行优化设计。依据MATLAB/Simulink的仿真环境，构建基于车速和油门开度双参数换挡规律的整车动力模型。以双参数换挡规律的换挡点为优化对象，采用遗传算法对换挡点进行优化。根据加速度参数能反映车辆纵向动态的特性，引入加速度，采用模糊控制算法对换挡规律进行动态优化设计，构建三参数的模糊控制器。通过仿真模型和实车试验来验证换挡规律优化前后对车辆动力性的影响。结果表明：优化后的控制策略可有效提升车辆的动力性能，能够更加合理分配在动力需求下的发动机和挡位的使用工况，完全满足轻型越野战术车辆复杂路况下对动力性的需求。

双侧独立电驱动履带车辆反馈线性化解耦与预测行驶控制

张杰，马晓军，刘春光，袁东，张运银

2021, 42(4): 697-705. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.003

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针对双侧独立电驱动履带车辆行驶动力学耦合和跟踪优化的控制问题，提出一种解耦和预测控制方法。在车辆仿射非线性模型基础上，通过反馈线性化消除系统动力学耦合因素，实现纵向车速和横摆角速度的解耦控制；对解耦后的速度和横摆角速度子系统分别设计自适应广义预测控制算法，采用递推最小二乘法辨识受控自回归积分滑动平均模型的参数以修正控制律，并结合电机输出能力对系统控制量和输出量进行约束，实现目标速度和横摆角速度的跟踪优化；依托某型电驱动履带样车开展实车试验。结果表明，所设计的算法能够快速准确跟踪目标速度和横摆角速度，控制量输出平滑，抗扰性能强，可实现车辆多种工况下的稳定行驶。

进气弯管对离心压气机特性影响及弯管结构优化

佟鼎，田红艳，刘欣源，刘烨，高超，李欣

2021, 42(4): 706-714. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.004

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离心压气机进口常采用弯管导流进气，弯管中的二次流动会导致压气机进口气流出现畸变，影响压气机的气动性能。针对这一问题，通过数值仿真与台架试验相结合的方式，研究弯管对离心压气机特性的影响规律及产生机理。在此基础上提出在弯管内增加导流肋片的改进方法，并进行数值仿真与试验验证。研究结果表明：在压气机进口增加弯管后，压比和效率特性都发生了一定程度的恶化，在大流量工况时，性能的下降尤其显著；采用内部布置导流肋片的弯管结构，能够进一步规范弯管内部气流的流动特征，改善压气机进口流动状态，使流动变得相对均匀，从而使性能得到全方位的提升。

金属掺杂对高强化柴油机活塞销类金刚石薄膜涂层摩擦学性能的影响

郭圣刚，王建平，赵忠诚，程晶晶，田新伟

2021, 42(4): 715-722. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.005

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柴油机关键部件活塞销受到周期性的交变机械载荷和热载荷作用，易因粘着导致磨损。为提高柴油机活塞销的摩擦磨损性能，采用磁控溅射方法在活塞销表面沉积了Cr、W、Cr与Ti 3种金属掺杂的类金刚石薄膜(DLC)涂层，运用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪分析DLC涂层表面微观形貌和结构，并进行摩擦磨损性能和膜-基结合强度测试。结果表明：3种涂层表面微观形貌类似，致密、无明显缺陷和孔洞，但都附着少量的颗粒物，相较而言掺杂Cr的DLC涂层表面更加平滑；掺杂Cr的DLC涂层，Cr以单质和CrC化合物形式存在，具有更高的膜-基结合强度、更优的摩擦学性能；掺杂Cr与Ti的DLC涂层性能与掺杂Cr的DLC涂层类似，Cr、Ti以单质和CrC、TiC化合物的形式存在；掺杂W的DLC涂层，由于生成了WC化合物，涂层脆性高，韧性较差。

模块化枪族智能化辅助设计策略与方法

赵书彬，徐诚，蒋弘毅，步春辰

2021, 42(4): 723-733. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.006

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枪族的模块化、智能化设计是当今国内外枪械设计的热点。根据枪族设计特点建立基于知识的计算机辅助设计流程，提出一种基于模块化的枪族智能辅助设计策略与方法。针对枪族设计领域不同类型的知识，采用统一的面向对象知识表示，在枪族定义阶段和模块设计阶段求解中分别运用基于知识模板、机器学习和混合推理的策略。具体地，采用模块划分知识模板引导枪族模块化设计，利用基于随机森林的回归算法完成枪族系列主参数的估算；采用基于注意力机制的双向编码器模型的枪械知识问答系统和基于实例推理、设计规则与计算交叉推理的混合推理模式辅助设计者完成枪械各模块详细设计。完成了软件原型系统的构建，进行了5.8 mm/7.62 mm口径模块化枪族的设计，结果证明了该方法的有效性。

小口径步枪枪管在连续单发射击下热效应特性

顾祖成, 王光华, 卢海涛, 闫文敏

2021, 42(4): 734-742. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.007

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为分析小口径步枪枪管在热载荷和周边零件作用下热效应对枪管性能的影响，开展枪管表面有无周边零件对枪管温度场和热变形场差异研究。基于初始条件和热边界条件，在有限元分析软件ANSYS中建立高温火药气体热作用下三维枪管及周边零件的热-结构耦合模型。将热电偶固定在枪管表面，并对枪管表面10个位置进行温度测量，实验结果与仿真结果基本吻合。温度场和热变形场仿真结果表明：周边零件与枪管表面直接接触区域存在明显的吸热现象，且枪管温度场受周边零件结构的影响出现不对称性；枪管出现了径向内径增大且沿轴向呈现不均匀增大；枪管出现径向轴心的偏移且沿轴向呈现不均匀偏移。研究与分析热载荷和周边零件影响下枪管热效应可以为后期枪械温度场优化从而实现射击精度的提高奠定基础。

基于薄层单元模型的弹体与引信系统螺纹连接参数确定方法

鄢阿敏，皮爱国，王健，黄风雷，王晓锋

2021, 42(4): 743-754. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.008

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螺纹连接是侵彻弹体与引信体连接的主要形式之一，直接影响着弹体与引信系统振动响应特性。针对现有数值仿真手段难以准确表征螺纹连接的问题，提出用薄层单元模拟螺纹连接的有效方案，结合理论与试验研究建立薄层单元材料参数的确定方法。基于螺纹连接弹性模型与薄层单元理论推导出薄层单元的材料参数；将薄层单元材料参数传递到有限元模型中进行建模，通过螺纹管以及弹体与引信系统模态试验对薄层单元模型的计算结果进行验证。结果表明：与不同螺距及不同旋合长度螺纹管模态试验结果比较，薄层单元模型计算误差最大为5.11%；与节点融合建模方式比较，弹体与引信系统采用薄层单元建模方式进行计算后，前3阶模态频率最大误差从17.72%下降到2.54%.

整装式液体发射药燃烧推进过程的内弹道特性

姜冬冬，薛晓春

2021, 42(4): 755-763. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.009

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为研究液体药燃烧过程中的压力波以及Taylor-Helmholtz不稳定效应对内弹道性能的影响，针对12.7 mm小口径整装式液体药燃烧发射装置，利用有限元分析软件ANSYS建立气体与液体两相反应流数理模型。通过数值模拟得到液体发射药燃烧过程中Taylor空腔气体与液体界面的演化特性，以及组分质量分数、液体药蒸发速率、化学反应速率和温度云图。结果表明：蒸发和燃烧反应主要发生在Taylor空腔表面，而产物则会均匀地扩散到整个空腔；同时由于Helmholtz不稳定效应，空腔表面会出现褶皱现象。在整个扩展过程中，空腔的轴向扩展速度远大于径向扩展速度，药室四周仍残留有较多液体药，在Helmholtz不稳定效应作用下参与燃烧，从而导致其内弹道稳定性变差，压力振荡加剧。

复合结构活性破片对双层靶标毁伤效应

李鑫，王伟力，梁争峰，陈进，陈元建

2021, 42(4): 764-772. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.010

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研究可承受炸药爆炸加载的活性破片毁伤威力具有实际应用意义。通过14.5 mm口径弹道枪加载试验分析铝粉与聚四氟乙烯复合结构活性破片撞击不同组合形式下双层靶标毁伤效应，并采取多元回归分析方法建立活性破片对前层板的穿孔直径和后层板的扩孔面积经验公式。结果表明：在800~1 400 m/s速度范围内，活性破片撞击前层钢板或铝板形成的穿孔直径随着速度、靶厚增大而增加，而撞击碳纤维复合材料板形成的穿孔直径与速度、靶厚无关，且钢板、铝板、碳纤维复合材料板穿孔直径分别是破片直径的1.25~1.62倍、1.08~1.42倍、1.13倍；活性破片对后层铝板或碳纤维复合材料板呈现扩孔撕裂毁伤模式，且前层板强度越大，撞击速度越高，则扩孔毁伤面积越大，同时对碳纤维复合材料板毁伤应着重考虑背面碳纤维与树脂基体剥离分层模式；建立的毁伤效应经验公式准确、可靠，经试验验证其相对误差控制在5%以内，能够为活性破片对双层靶标毁伤评估提供参考。

超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性

郑克勤，张庆明，龙仁荣，薛一江，龚自正，武强，张品亮，宋光明

2021, 42(4): 773-780. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.011

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在超高速碰撞下，波阻抗梯度材料能使弹丸的动能更多地转变为靶板材料内能，使其发生熔化、气化等相变，分散和消耗弹丸的动能，进而实现航天器对空间碎片的防护。以钛、铝、镁3种材料组成的波阻抗梯度材料为研究对象，借助于光滑粒子流体动力学数值模拟方法，采用Tilloston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，给出各材料的冲击相变判据，结合速度为7.9 km/s的超高速碰撞实验结果，验证数值模拟结果的有效性。计算结果表明：钛、铝、镁波阻抗梯度材料在受到大于4 km/s速度撞击时，形成的碎片云会发生不同程度的熔化和气化；钛、铝、镁3种组分分别在受到6 km/s、5 km/s、4 km/s速度撞击时碎片云会发生熔化，在受到8 km/s、9 km/s、6 km/s速度撞击时碎片云会发生气化。

滑翔飞行器多投放条件下飞行性能优化

孙一博，孟秀云

2021, 42(4): 781-797. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.012

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滑翔飞行器一般可在较大空域和速域范围内的多种条件下投放使用。为综合提升滑翔飞行器多投放条件下的射程，以飞行性能分析中的最大射程分析为核心，兼顾最大射程的制导控制系统设计实现问题，建立包含几何外形、气动、结构质量和飞行性能4个学科的多学科分析模型。前3个学科主要为飞行性能分析提供必要的数据支持；飞行性能学科模型则在控制系统、弹道和制导律设计基础上，采用弹道仿真进行最大射程分析。针对滑翔飞行器增程优化对满足约束的初始设计方案需求，以美国联合防区外武器为参考，设计了满足约束的初始方案。在此基础上，对初始方案进行多投放条件下飞行性能分析。结果表明：初始方案的飞行性能与联合防区外武器的实际能力接近；调用多学科分析模型用于增程优化中不同设计方案的评价，最终方案的综合射程得到一定提升。

井下火箭发射燃气对消音层冲蚀损伤模型及特性

李良，冯永保，马长林，夏文龙

2021, 42(4): 798-807. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.013

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井下火箭发射过程中消音层在发动机高温、高速燃气流作用下存在冲蚀损伤，会影响火箭发射安全，系统分析消音层燃气冲蚀损伤特性，对消音层的后期修复以及地下井结构优化具有重要意义。消音层冲蚀损伤是复杂的热-流体-固体多场耦合问题，以典型玻璃丝棉消音层为例，建立玻璃丝棉相变传热和烧蚀损伤数学模型；基于燃气流场数据提取与预处理、插值程序编写和有限元分析软件Abaqus用户子程序开发，搭建消音层燃气冲蚀损伤仿真平台，采用子模型技术，建立玻璃丝棉烧蚀数值仿真模型；对玻璃丝绵烧蚀过程进行仿真，并分析地下井井筒直径、燃气射流初始冲击高度及发动机建压速率3个因素对玻璃丝棉烧蚀损伤的影响；通过玻璃丝棉原理性冲蚀试验对数值仿真模型进行验证。结果表明：玻璃丝棉普遍发生烧蚀，且主要发生在回流和失稳阶段，沿地下井周向分布差异较小，沿轴向越靠近底部烧蚀越严重；减小井筒直径或增大建压速率将加剧烧蚀，增大冲击高度会减少烧蚀；试验结果显示玻璃丝棉都有一定的烧蚀，证明建立的仿真模型是正确的。

基于动态规划和双变量容积卡尔曼滤波的空基外辐射源定位算法

卢雨，衣晓

2021, 42(4): 808-816. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.014

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针对空基外辐射源定位系统在杂波环境下的目标状态估计问题，提出一种基于动态规划和双变量容积卡尔曼滤波的空基外辐射源定位算法。基于误差传播理论，确定出目标的状态转移范围；选取回波信号幅度值作为动态规划的值函数进行递推积累；根据杂波的统计特性和极值理论解算出动态规划的目标量测提取阈值，逆向提取来自目标的量测序列；利用双变量容积卡尔曼滤波算法同时对目标和外辐射源进行状态估计。仿真结果表明：该算法不仅可以从杂波中有效地提取出目标量测序列，还能降低外辐射源状态不确定性对目标状态估计造成的影响，减少系统的计算量，具有良好的状态估计效果。

深海直达声区中大深度声场水平纵向相关特性

王梦圆, 李整林, 秦继兴, 吴双林, 王光旭

2021, 42(4): 817-826. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.015

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深海直达声区中大深度声场水平纵向相关特性对海底水平阵阵形设计和相应的信号处理技术具有重要参考意义。基于2016年南海冬季一次深海不完全声道声传播实验，分析大深度声场特性及水平纵向相关性，对深海直达声区中大深度声场水平纵向相关性进行理论研究和数值仿真。结果表明：大深度声场的水平纵向相关半径与声能量高低无关，直达声区中大深度声场的干涉特性导致声场水平纵向相关系数存在振荡结构，声场水平纵向相关半径与声场传播损失的振荡周期一致，振荡周期越大，水平纵向相关半径越大；直达声区中声场水平纵向相关半径的大小随声源频率和声源深度的增大而变小，直达声区中近距离处声场水平纵向相关半径受接收深度变化影响较小，但在远距离处随接收深度的增大而增大。

基于Rao检测器的舰船轴频电场滑动门限检测方法

喻鹏，程锦房，张伽伟，姜润翔

2021, 42(4): 827-834. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.016

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为实现非高斯背景噪声和低信噪比情况下的舰船轴频电场检测，提出一种基于Rao检测器的滑动门限检测方法。基于信号源特征建立信号模型，在对水面浮动平台测量背景下环境噪声非高斯特性分析基础上，采用混合高斯模型对噪声进行建模；在检测过程中，实时估计混合高斯噪声模型参数和Rao检测统计量，并将前一段时间的平均Rao检测统计量作为门限，实现滑动门限检测。为验证所提方法的有效性，采用仿真计算的方式，证明Rao检测方法相比于能量检测方法的优势；根据实测数据，对比滑动门限Rao检测方法与滑动功率谱检测方法的性能差异。结果表明，滑动门限Rao检测方法能够有效抑制环境非高斯噪声影响，相比滑动功率谱检测方法具有更好的检测效果。

无轴泵喷推进器敞水特性

祝昊，靳栓宝，王东，王公宝，魏应三，胡鹏飞，武星宇，何升阳，胡风革

2021, 42(4): 835-841. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.017

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无轴泵喷推进器是一种新型集成电机推进装置，其融合了无轴推进和泵喷推进技术的特点。为研究无轴泵喷推进器与常规推进器的水动力性能差异，采用流体数值计算手段，对比分析某无轴泵喷推进器样机与机械式泵喷推进器、E779A螺旋桨的水动力性能，并分析无轴泵喷推进器水动力效率的定义方式。通过设计的试验台架完成了无轴泵喷推进器样机的性能测试，并验证了数值计算结果的有效性。研究结果表明，无轴泵喷推进器最高敞水效率达到了0.662，低于常规螺旋桨，但其高效的进速系数区间远大于常规螺旋桨，能够在更多的工况下高效运行。

鱼雷近场爆炸复杂载荷及对舰船毁伤模式

刘文思，陆越，周庆飞，程素秋

2021, 42(4): 842-850. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.018

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为科学评估鱼雷水下爆炸对舰船毁伤效能，基于非线性显式动力学分析软件LS-DYNA建立近边界水下爆炸数值分析模型。将近自由液面边界条件下的爆炸载荷计算结果与文献［6］经验公式及文献［17］试验结果对比，验证所建立的数值模拟方法能较好地反映近场水下爆炸的冲击波压力及多次气泡脉动过程。利用该技术构建与实战边界条件贴近的数值仿真模型，计算并分析多工况下鱼雷近场爆炸对舰船的毁伤模式。研究结果表明：近场不同边界条件对水下爆炸气泡脉动载荷具有重要影响；不同工况下冲击波、气泡脉动及水射流载荷与舰船结构存在复杂的耦合作用；鱼雷在近场不同工况下对舰船的作用展现出了不同的能量输出结构，与舰船最终的毁伤模式密切相关，且存在最优爆距使鱼雷作用于舰船的总能量最大。

基于多重示范的智能车辆运动基元表征与序列生成

陆瑶敏, 龚建伟, 王博洋, 关海杰

2021, 42(4): 851-861. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.019

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为解决不同驾驶风格的类人驾驶轨迹生成问题，以包含同类型多重示范的真实行车轨迹数据集为依托，提出一种基于驾驶风格参量提取的运动基元表征及基元序列生成方法。单一运动基元以改进的动态运动基元方法进行表征，并引入奇异值分解实现同类型轨迹集合中主要形状表征参量与驾驶风格参量的分离；基元序列则是在关联各独立表征参量的基础上，利用准均匀B样条曲线进行序列拟合。结果表明：单一运动基元表征方法在保证轨迹表征精度的同时，扩展了基元依据驾驶风格的泛化调整能力；基元序列生成方法既实现了对目标点航向和位置的钳位，又保证了各独立基元之间的平滑过渡。

分离式霍普金森压杆加载下不同组织Ti-6321钛合金的动态响应行为

宁子轩，王琳，程兴旺，程焕武，刘安晋，徐雪峰，周哲，张斌斌

2021, 42(4): 862-870. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.020

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通过固溶处理获得不同组织的Ti-6321钛合金，研究组织对材料动态响应行为的影响。采用万能试验机和分离式霍普金森压杆实验装置，结合光学显微镜和扫描电子显微镜等表征方法，对加载后的钛合金试样微观组织演化进行观察分析。结果表明：等轴、双态和魏氏组织材料均具有明显的应变率强化效应，临界剪切断裂应变率为3 000 s^-1，双态组织具有较好的静态、动态强塑性匹配，魏氏组织较差，等轴组织具有较高的临界剪切应变和冲击吸收功，分别为0.252和307 MJ/m³；应变率3 000 s^-1下，等轴组织的应变率敏感因子随应变的增加逐渐增大，魏氏组织相反，双态组织基本不变；应变为5%时，等轴和双态组织的应变率敏感因子随应变率的增加而增大，魏氏组织基本不变；3种组织均发生绝热剪切失效，等轴组织绝热剪切敏感性较低，魏氏组织绝热剪切敏感性较高。

基于无速度参数目标函数的弹着点定位方法

李志明，范锦彪

2021, 42(4): 871-877. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.021

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目前基于地震波的弹着点定位方法多数都需要提前测量地震波波速或对其进行反演,导致定位误差大，为此提出一种基于波速方差目标函数的弹着点定位方法。该目标函数的未知参数只有弹着点坐标，无需提前测速或进行波速反演。采用单纯形法对此目标函数寻优，并结合带噪声的密度聚类算法进行弹着点定位，可以有效抑制因波速不均匀带来的定位误差。通过构建的仿真模型验证定位方法的可行性。该定位方法应用于地面静爆试验，利用检波器获得的数据对爆心进行定位，相对定位误差为0.38%，试验验证了定位方法的正确性。

多型岸舰导弹作战单元部署优化模型

宋贵宝，姜子劼，刘战，刘镇毓

2021, 42(4): 878-887. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.022

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为解决多阵地岸舰导弹组合攻击作战任务中岸舰导弹作战单元部署定量决策问题，基于广义最大覆盖选址理论，结合岸舰导弹部队兵力数量有限的战场条件，构建多型岸舰导弹作战单元部署优化模型。针对目标舰艇位置、岸舰导弹火力覆盖范围等影响因素，利用蒙特卡洛仿真法，建立目标散布区域计算模型、岸舰导弹火力覆盖区域计算模型等辅助决策模型，通过粒子群优化算法进行模型解算。仿真结果表明，多型岸舰导弹作战单元部署优化模型及算法可以稳定地提供合理有效的优化方案，能够为战时多型岸舰导弹部署决策提供参考和依据。

机动管线充气排液过程中油-气体两相流阻力特性

姜俊泽，张镇，李江，陈雁，陈明，蒋苇

2021, 42(4): 888-896. doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.023

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机动管线是油料保障的骨干装备，充气排液是管线使用的一项常规作业，随着液体被排出管线，管内液体处于变加速直线运动状态，整个管路的阻力表现出非线性特征，与单相管流有很大区别。掌握管线充气排液过程的阻力特性，可以为管线排空工艺设计提供理论依据，为此提出一种适用于该过程阻力计算的简化模型。该管路分为3段，即单相气体段、单相液体段和气体-液体混合段，通过分别计算每一段的摩擦阻力而得到整个管路阻力特性，将简化模型的计算结果与机动管线充气排液多种工况的实验数据进行比较，并采用误差绝对平均值对模型计算准确性进行分析。结果表明：在排液过程的前2/3时间段内计算结果与实验数据吻合较好，在后面1/3时间段内，管内阻力以气体与液体两相流为主，计算值与实验值有一定的误差，误差来自对于段塞频率的估计和加速压降的影响；管内阻力影响最大的是油品物性，如黏度、密度、表面张力等，而管路内径、管线长度、气体流量的影响较小；阻力模型计算结果与实验结果吻合较好，可用于机动管线充气排液过程中阻力特性分析和预测。

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