本文是一篇硕士论文，专业硕士是我国研究生教育的一种形式。根据国务院学位委员会的定位，专业学位为具有职业背景的学位，培养特定职业高层次专门人才。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇硕士论文，供大家参考。
第 1 章 绪 论
1.1 引言
随着人类科学技术的不断进步和全球经济的飞速发展，世界各国都在积极加强对海洋资源的开发和使用。在海洋资源的开拓与利用等权益上,诸多国家都存在着争议与矛盾。相对于陆地，海洋对于一个大国而言,是国际军事、政治、经济较量的重要舞台。为了保障我国的海洋主权，同时在世界各强国多元化竞争中占据有利位置，加强我国海军建设，不断研发制造海洋武器装备是至关重要的。我国是临海大国，海岸线长约二万公里，海洋国土面积更多达三百万平方公里。中国又是海洋资源大国，同时也面临着许多海洋权益之争的问题。目前，我国与周边的马来西亚、菲律宾、越南等国存在着海洋归属争议问题。可见我国的海洋安全面临着极其严峻的挑战，亟待更强大的海军实力来保障我国在国际海洋问题上的相关权益[1]。面对复杂的海洋权益问题，我国颁布了多项有关海洋行业发展的政策性文件。《全国海洋经济发展“十二五”规划》[2]指出，重点研发新型、深海装备系统及关键配套设备，突破核心技术。《海洋工程装备产业创新发展战略 (2011-2020)》[3]提出，着重发展国际海洋工程装备新技术，改变当前海洋资源开发模式，提高前瞻性技术能力，重点发展概念性技术研究，做好未来装备发展的技术储备。国务院印发的《中国制造 2025》[4]中也重点指出，要大力推动海洋工程装备突破发展。由此可知，海洋工程装备将是我国重点发展的战略项目。
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1.2 研究背景及意义
为了适应当代海战的需求, 各国的舰艇和潜艇技术得到飞速发展。舰艇和潜艇是水面和水下目标的严重威胁，它们打击目标的主要方式都是通过发射鱼雷实现的。因此，鱼雷是海战中攻击目标最有效的武器[5]。随着鱼雷技术的不断发展,世界各国先后研制出拥有先进技术的鱼雷，并在海军中装备,使鱼雷逐渐成为能够在多种环境下(空中、水面、水下)发射并追踪攻击目标的强有力的水下武器[6]。鱼雷是一种能够在水中自动控制、自主推进、自动导引,攻击水面或水下目标的水下航行器，备受世界各国海军的重视[7]。由于海洋中环境复杂,导弹等一系列陆上武器无法在水中发挥作用,而鱼雷则由于其隐蔽性好、进攻性强、跟踪目标精确、破坏威力大、发射装置较为简单等特点，得到了广泛的应用[8]。在近代史上记载的重大海战中,各参战国对鱼雷的使用逐渐增加,鱼雷在海战中的作用不断增大。实践证明,鱼雷作为对付海上舰艇和潜艇最有效的武器之一,其性能的优劣会对战局产生决定性的影响[9]。在未来的海上作战中,鱼雷将仍然是反潜和反舰的最主要的武器,因此世界各国都在大力积极的发展鱼雷行业。
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第 2 章 实体及有限元模型的建立
本章主要探讨有限元仿真分析的建模方法,其中系统阐述了 CAD 软件 CATIA 联合有限元分析软件 ANSYS Workbench 的建模过程,并详细给出了水下航行器动力电池舱段仿真模型的建立以及各参数的设置情况。
2.1 有限元分析流程
本文应用 CATIA 及 ANSYS Workbench 软件进行联合建模仿真。CATIA 软件以其丰富的造型工具及完善的造型功能在业界享有很高的声誉。其友好的用户界面，使用户更容易使用。从 CATIA 的发展方向上可以发现，现今的 CAD/CAM软件更多的向智能化、数字化制造的方向发展。目前，使用最为普遍的有限元软件之一为 ANSYS。ANSYS 是一款功能十分强大的通用有限元分析(FEA)程序, 能对诸多学科的问题开展有限元分析，如工程结构问题的静、动态分析、流体力学分析、磁场分析、热力学分析、压电分析、声学分析及最优化设计等。因此， ANSYS 被广泛应用于航空航天、汽车工业、机械电子、建筑桥梁、生物医学等工程技术领域[14-15]。Workbench 是 ANSYS 公司于 2002 年发布的不同模块间协同仿真环境的平台，用于解决企业产品研发过程中 CAE 软件的异构问题。Workbench 整合了各种模块与过程,集设计、仿真、分析、优化于一体，通过各个模块间的不同选择与搭配，Workbench 可以实现各种功能。与 ANSYS APDL 相比，Workbench 操作简便，流程非常清晰，十分符合工程思维[16]。ANSYS 的有限元分析过程分为前处理、求解和后处理三个部分。在 ANSYSWorkbench 平台上，可通过 DM(Design Model)模块来创建几何模型。对于简单的几何模型，可直接在 DM 中创建。但对于结构较为复杂的几何模型,由于 DM 模块自身的局限性,难以满足建模需求,需要应用更为专业的 CAD 设计软件。Workbench 平台提供了广泛的 CAD 软件接口,可以直接将 STEP、IGES、Pro/E、UG 等格式的 CAD 几何模型文件导入 DM 模块中，用于后续有限元分析使用。分析过程[17-19]如图 2.1 所示。
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2.2实体模型的建立
在科学研究领域内，许多现实物理问题和力学问题由于需要求解的某些方程具有非线性，或求解的区域几何形状较为复杂，从而难以得到解析解。因此，科研工作者们研究出了求解这些非线性方程的方法——数值解法。随着计算机技术和计算方法的快速发展，数值解法适用于求解各种连续介质和场的问题，已成为解决实际工程技术问题的重要工具。有限单元法（Finite Element Method, FEM）由弹性力学发展而来，是一种结合数学与计算机科学求解偏微分方程的数值方法。实际复杂结构体的物理性能则可以通过分析离散的规则单元体，从而得到满足实际工程精度要求的近似结果来替代对实际复杂结构体难以求得的解析结果。有限元法解决了许多理论分析难以解决的现实工程问题[20]。有限元法的基本思想最早在 40 年代被提出。但由于当时计算机的存储量和运算速度的限制，不能很好地将复杂结构离散化，使得有限元法这一概念没有得到足够的重视。1943 年，Courant[21]用分片连续函数结合最小位能原理的方法解决了圣维南的扭转问题。1956 年，Clough[22]等人运用三角形单元将刚架位移法应用于弹性力学平面问题来分析飞机的结构。1960 年，Clough[23]进一步研究分析了弹性力学平面问题，并首次提出了“finite element method”的称法。Clough 等人提出的这种最初的有限元法，仅仅是利用了直接刚度法求解一些较为简单的实际工程问题。60 年代中期起，数学领域的人们开始对有限元法进行研究。Joner[24]、Melosh[25]和 Besseling[26]等人证明了有限元法是Ritzmethod 的另一种形式。因此，所有基于 Ritzmethod 的理论都同样适用于有限元法，从而使得有限元法成为解决连续介质问题的普遍方法。Zienkiewicz、Ceung 等人证明了有限元法能够解决所有能按照变分原理进行计算的场的问题。
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第 3 章 电池舱段有限元模态分析..........17
3.1 模态分析理论 ..........17
3.2 动力电池舱段模态分析 ..........19
3.3 本章小结 ..........21
第 4 章 温度场对结构强度的影响..........23
4.1 水下航行器的动力装置 ..........23
4.1.1 水下航行器的动力源分类 ...........23
4.1.2 水下航行器动力电池的分类 .......24
4.2 热传递数学模型 ......26
4.2.1 热传递基本原理 ...........26
4.2.2 热传递数学模型 ...........26
4.3 不同水温工况下的结构强度分析 ..........28
4.4 本章小结 ..........33
第 5 章 动力电池舱段抗冲击性能分析 .........34
5.1 瞬态动力学分析基础 ......34
5.2 电池舱段瞬态冲击仿真分析 ..........35
5.3 本章小结 ..........42
第 5 章 动力电池舱段抗冲击性能分析
现代鱼雷发射攻击目标可采用多种方式，例如水上舰艇舰载发射或者飞机空投等等。鱼雷入水的过程十分短暂，并且由于存在气、液、固三相耦合，其力学现象十分复杂。鱼雷入水包括撞水、浸水、带空泡航行、受控运动四个过程。在这四个阶段中，将会涉及到诸如固体力学、流体力学以及流固耦合等诸多力学问题。在鱼雷入水的过程中，整个鱼雷会激起其周围介质的激烈运动。紧接着，激烈运动的介质又会对鱼雷整体施加多种反作用力。尤其是在鱼雷入水初期，鱼雷前端与水面接触时将会在水中形成压缩波，瞬态间整个雷体将会受到极大的脉冲冲击载荷。这种巨大的冲击载荷会造成鱼雷结构的损坏、电子器件的失灵以及弹道失控等问题。因此，需对水下航行器的动力电池舱段进行瞬态动力学分析，以确定动力电池舱段承受瞬态冲击载荷的能力，确保电池舱段内的电池模块在贮存、运输和工作过程中不受到外部载荷的破坏。#p#分页标题#e#
5.1 瞬态动力学分析基础
瞬态动力学分析是时域分析，因此又被称为时间历程分析，是用来分析结构体在承受随时间按任意规律变化的载荷作用时，结构体的动力响应过程。其输入的数据是时间函数的载荷，载荷可以包括简谐载荷、随机载荷、瞬态载荷或者静载荷。而输出的结果是随时间变化的应力、应变、位移、变形等。载荷随时间发生变化，使阻尼及惯性力更为明显。瞬态动力学分析应用十分广泛，可用于分析承受各种冲击载荷的结构，如汽车的车架、悬挂系统、缓冲器等；也可用于分析如建筑物、桥梁等承受各种随时间变化载荷的结构以及承受颠簸和撞击的设备，如便携式计算机、移动电话等。瞬态动力学分析可对这些结构体动力响应过程中的强度、刚度等进行模拟计算。
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结 论
本文利用CATIA和ANSYS Workbench软件建立了某型水下航行器电池舱段的实体模型和有限元模型，并根据《CB 1235-1993 鱼雷环境条件和试验方法》，对动力电池舱段进行了动力学仿真分析。在此基础上，本文考虑了不同海水温度的工况和不同贮存、运输温度环境条件，展开了温度场对水下航行器动力电池舱段结构强度和刚度影响的研究。全文的主要工作及得到的主要结论如下：
(1) 梳理了水下航行器及水下航行器动力源、动力电池的研究发展历程。水下航行器的驱动方式主要以电力驱动和热力驱动两种为主。电力驱动与热力驱动相比, 具有构造简单、噪声小、性能不受下潜深度影响等诸多优点。当前电力驱动水下航行器的电源类型主要有铝/氧化银电池、锌银电池、锂离子电池及锂/亚硫酰氯电池等。其中，锂/亚硫酰氯电池优点明显，具有功率大、体积小、电压平稳、贮存寿命久等特点，在军用和民用设备中应用广泛。
(2) 建立了某型水下航行器动力电池舱段的实体模型和有限元模型。因动力电池舱段的结构复杂，零件较多，所以采用由 CATIA 建立实体模型并保存为 stp.格式导入Workbench 平台进行有限元分析的模式。因需要进行关于温度场的动力学仿真分析，所以采用四面体热实体单元Solid87和六面体热实体单元Solid90对动力电池舱段的实体模型进行网格划分，网格划分共得到 107573 个有限单元，251944 个节点。
(3) 对动力电池舱段进行了模态分析，得到了模态结果。结果表明，水下航行器动力电池舱段的整体刚度较大，振动频率较高，振型主要表现为弯曲和扭转，前 6 阶频率主要分布在 700Hz 至 1500Hz 之间，模态频率较为密集。第 1 和第 2 阶模态为动力电池舱段的弯曲，第 3 阶模态为电池舱段沿 X 轴方向的水平运动，扭转振型从第 4 阶开始出现。沿 Y、Z 轴方向主要为弯曲振动，沿 X 轴方向主要为扭转振动，前 16 阶模态中夹杂一些复合振型。
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参考文献（略）
