№75-12
Чисельне моделювання задачі зовнішньої балістики з використанням аналітичного підходу та візуалізації атмосферного потоку методом скінченних елементів
О.О. Азюковський1, В.З. Грищак1, Д.Д. Грищак2, К.А. Зіборов1, С.О. Федоряченко1, Д.В. Гаркавенко1, В.М. Король1,3
1 Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Дніпро, Україна
2 CulverAviation, Київ, Україна
3Метінвест-інжиніринг, Дніпро, Україна
Coll.res.pap.nat.min.univ. 2023, 75:119-126
https://doi.org/10.33271/crpnmu/75.119
Full text (PDF)
АНОТАЦІЯ
Мета. Аналітичний підхід і чисельне моделювання динамічного процесу задачі зовнішньої балістики вантажу за наявності початкової швидкості і впливу повітряного середовища з метою визначення факторів, що впливають на параметри керування досліджуваною системою.
Методика. Наближений аналітичний підхід до розв’язку нелінійної задачі зовнішньої балістики системи з параметрами, залежними від часу, який реалізується із застосуванням асимптотичного методу збурення, та чисельний алгоритм моделювання динамічного процесу з використанням 3D програмного комплексу і методу скінченний елементів, що дозволяє візуалізувати характер обтікання об'єкту в умовах вітрового навантаження.
Результати. Запропоновано аналітичний підхід до розв’язку нелінійної задачі зовнішньої балістики системи із змінними у часі параметрами, і чисельна модель, розв’язок і візуалізація динамічного процесу які можуть бути застосовані в прикладних задачах математичної фізики та інженерних розрахунках.
Наукова новизна. Використання наближеного аналітичного підходу до вирішення нелінійної задачі зовнішньої балістики, яка включає систему змінних параметрів у часі, є значним інноваційним кроком. Вперше було отриманотривимірний розподіл параметру падіння вантажу в умовах атмосферного впливу в залежності від часу вільного падіння при умові початкової швидкості, відмінної від нуля. Отриманні характеристики розподілу із урахуванням аеродинамічної якості об’єкту дозволили адаптувати методи аналітичної механіки та диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами до вирішення прикладної задачі. Отримана характеристична тривимірна поверхня дозволяє виконувати дослідження аеродинамічної якості досліджуваного об’єкта із використанням чисельних методів та візуалізувати динамічні процеси у тривимірному просторі з метою отримання якісної картини збудження об’єкта потоком повітря. Даний інтегрований підхід до дослідження балістичних характеристик вантажів формує науковий принцип виконання інженерних розрахунків для вирішення задачі керування динамічними системами.
Практична значимість. Наближений аналітичний підхід і розрахункова модель динамічного процесу мехатронної безпілотної системи дозволяють підвищити її ефективність при наявності початкової швидкості і забезпечення точності застосування балістичних систем доставки вантажів в реальних умовах експлуатації.
Ключові слова: зовнішня балістика, нелінійна система диференціальних рівнянь із змінними коефіцієнтами, 3-D та МСЕ-моделювання, аеродинамічний тиск, вітрове навантаження, візуалізація атмосферного потоку.
Перелік посилань
1. Петров, В.М., Шалигін, А.А., & Кудрявцев, А.Ф. (2020). Методичний підхід до рішення задачі прицілювання для скидання вільнопадаючих вантажів з безпілотних літальних апаратів. Наука і техніка Повітряних Сил Збройних Сил України, 1(38), 84–90.
https://doi.org/10.30748/nitps.2020.38.10
2. Vacca, A., & Onishi, H. (2017). Drones: military weapons, surveillance or mapping tools for environmental monitoring? The need for legal framework is required. Transportation Research Procedia, 25, 51–62.
https://doi.org/10.1016/j.trpro.2017.05.209
3. Gristchak, V.Z., & Pogrebitskaya, A.M. (2011). On approximate analytical solutions of nonlinear thermal emission problems. Technische Mechanik, 31(1–2), 112–120 p.
4. Stevens, B. L., & Lewis, F. L. (2003). Aircraft Control and Simulation. 2nd Edition. Wiley-Interscience.
5. Ettinger, S. M., Nechyba, M. C., Ifju, P. G., & Waszak, M. (2002). Vision-guided flight stability and control for micro air vehicles. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, 3.
https://doi.org/10.1109/IRDS.2002.1041582
6. McLain, T. W., & Beard, R. W. (2005). Coordination Variables, Coordination Functions, and Cooperative Timing Missions. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 28(1), 150–161.
https://doi.org/10.2514/1.5791
7. Roskam, J. (1998). Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls, Parts I & II.DARcorporation.
8. Anderson, J. (2011). Fundamentals of Aerodynamics. 6th Edition.McGraw Hill.
9. Yang, G., & Kapila, V. (2002) Optimal path planning for unmanned air vehicles with kinematic and tactical constraints. Proceedings of the 41st IEEE Conference on Decision and Control, 2, 1301–1306.
https://doi.org/10.1109/CDC.2002.1184695
