50kg级水下自航行器整体水动力学性能优化设计

发布时间：2017-03-21 11:06

  本文关键词：50kg级水下自航行器整体水动力学性能优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：50kg级水下自航行器（小型AUV），因具有航速快、机动性强、造价低的特点，在军事和海洋资源开发等领域越来越受到人们的重视。水下自航行器的动力来源于自身携带的能源，因此提高能源利用率成为衡量AUV性能的一个重要指标。研究表明，减小航行阻力是提高AUV能源利用率的一个重要手段。为此开展AUV外形优化，降低其航行阻力成为AUV研究的一个十分重要的课题。本文以设计一款低阻水下自航行器为研究目标，探索在保证一定排水量的前提下，减少AUV水阻力的有效方法。围绕这一目标，本文开展了以下几方面的研究： （1）根据课题提供的基础数据，在保证一定排水量的前提下，完成了水下自航行器原型机的低阻力外形设计，其主要包括主体的流线型回转体的剖面线型的选取、主体的水动力特性分析与设计，附体尾舵的翼型选取与设计，以及原型机的水动力性能分析。 （2）在原型机外形的基础上，基于多学科设计优化软件Isight，采用多目标遗传优化设计方法，对原型机外形进行了多目标优化设计，其主要内容包括AUV模型的参数化设计、水动力计算的前后处理一体化与自动化、优化算法对计算结果的分析与处理，优化后外形与原型机的水动力性能分析对比。在保证一定排水量的前提下，，获得了水下自航行器的最佳水动力外形，为以后的设计工作提供了依据。 （3）在优化的水下自航行器外形基础上，按照模块化设计方法，完成了AUV系统结构的设计与加工，其主要内容包括耐压壳体的设计、舱体间的连接与密封、方向调节装置的设计、推进系统中螺旋桨的设计和主推电机的确定等。为同类型AUV设计与研发提供了参考依据。 （4）通过近似计算获取了水下自航行器的水动力系数。采用等值椭球体及等值平板的理论，近似计算得到了加速度系数、速度系数、舵角系数、角速度系数等AUV的大部分水动力系数，为AUV的操纵性能分析和水下试验提供了依据。
【关键词】：水下自航行器 外形优化 系统结构设计 MDO CFD
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941;U661.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-25
• 1.1 研究背景与意义16
• 1.2 水下自航行器概述16-22
• 1.2.1 水下机器人的分类16-19
• 1.2.2 AUV 的国内外研究现状19-22
• 1.3 水下自航行器水动力学性能优化设计研究现状22-23
• 1.4 课题来源及主要研究内容23-25
• 2 水下自航行器外形初步设计及水动力计算25-45
• 2.1 数值模拟理论基础25-32
• 2.1.1 计算模型26-29
• 2.1.2 网格划分及自适应网格的应用29-30
• 2.1.3 计算条件的设定30-31
• 2.1.4 计算结果验证31-32
• 2.2 机体外型方案选型32-39
• 2.2.1 几种常见回转体线型32-34
• 2.2.2 五种主体构型的水动力性能计算与分析34-37
• 2.2.3 方案选型37-39
• 2.3 尾舵水动力学设计与分析39-43
• 2.3.1 翼型选择39-40
• 2.3.2 尾舵参数40-42
• 2.3.3 尾舵数值计算分析42-43
• 2.3.4 尾舵设计小结43
• 2.4 水下自航行器原型机的水动力分析43-44
• 2.5 本章小结44-45
• 3 基于 Isight 的水下自航行器外形优化及水动力性能分析45-61
• 3.1 多目标优化理论45-49
• 3.1.1 多目标优化理论概论45-46
• 3.1.2 遗传算法基本原理和步骤46-47
• 3.1.3 NSGA-II 算法47-49
• 3.2 多学科优化设计软件 Isight 简介49-50
• 3.2.1 Isight 主要功能和优势49-50
• 3.2.2 Isight 工作流程50
• 3.3 基于 Isight 的 AUV 外形优化流程的建立50-55
• 3.3.1 Isight 接口模块51-52
• 3.3.2 参数化建模模块52-53
• 3.3.3 AUV 网格划分模块53
• 3.3.4 CFD 计算模块53
• 3.3.5 优化算法模块53-54
• 3.3.6 优化流程54-55
• 3.4 AUV 外形优化设计55-58
• 3.4.1 优化设计公式55-56
• 3.4.2 优化结果56-58
• 3.5 优化前后 AUV 水动力性能分析对比58-60
• 3.6 本章小结60-61
• 4 水下自航行器系统结构设计61-70
• 4.1 水下自航行器整体布局61-62
• 4.2 耐压壳体的设计62-64
• 4.2.1 耐压壳体材料选择62-63
• 4.2.2 耐压壳体厚度63
• 4.2.3 耐压壳体强度计算与分析63-64
• 4.3 模块化壳体连接结构设计64-65
• 4.4 方向调节系统设计65-66
• 4.5 推进系统设计66-68
• 4.5.1 螺旋桨的设计66-67
• 4.5.2 推进电机的确定67-68
• 4.6 具体技术指标68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 5 水下自航行器水动力系数的估算70-82
• 5.1 附加质量估算70-73
• 5.1.1 附加质量的性质71-72
• 5.1.2 主体的附加质量72
• 5.1.3 附体的附加质量72-73
• 5.2 加速度系数估算73-75
• 5.3 速度系数估算75-78
• 5.4 舵角系数估算78-79
• 5.5 角速度系数估算79-81
• 5.6 水动力系数汇总81
• 5.7 本章小结81-82
• 6 总结与展望82-84
• 6.1 总结82-83
• 6.2 展望83-84
• 参考文献84-91
• 作者简历91-92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 赵加鹏;张云海;任

本文编号：259531