计及波浪效应的水下直升机水动力分析和运动仿真

发布时间：2020-11-05 16:38

　　 随着人类社会对自然资源的需求日益增长,海洋由于其蕴藏的丰富资源而逐渐成为人们关注的焦点。自主水下航行器可以在海洋环境中进行资源勘探、科学采样、地形探测和应急搜救等工作,在科研和军事领域受到了广泛的重视。海洋环境中存在着海流、海浪等各种复杂的干扰因素,会对水下航行器作业的安全性和稳定性带来严重的影响。因此,发展一种具备良好的稳定性、灵活性和操纵性的水下航行器成为了迫切的需求。本文的研究对象是一种具有新型飞碟外形的自主水下航行器——水下直升机,其主要特点是具备全周转向、自由起降和定点悬停的能力。为保证水下直升机工作时的机动性和安全性,实现精准的运动控制,并为后续的优化设计提供参考,正确地预报水下直升机在海流、海浪等复杂环境中的水动力性能和运动情况具有十分重要的意义。本文的主要研究内容如下:首先根据水下航行器典型的运动方程,对水下直升机的受力情况进行分析,结合水下直升机特有的四螺旋桨控制航速和转向的运动模式,并加入海流和海浪的干扰模型,建立了空间六自由度运动方程。对于水下直升机受到的水动力进行了数值计算,包括惯性力、粘性力和螺旋桨的水动力。采用势流理论计算了水下直升机的惯性水动力,得到附加质量矩阵,并对计算结果进行了对比验证。粘性力的求解采用基于RANS方程的数值方法,分别得到了水下直升机水平面和垂直面直航时的粘性力系数。单个螺旋桨的推力和转矩模型则是通过B4-70系列螺旋桨四象限敞水性能图谱得到。然后考虑把波浪力作为外加干扰力,通过水动力软件AQWA分别计算了水下直升机在不同潜深、浪向角、频率下的六自由度波浪力,并计算了母船干扰下的波浪力响应。在大型断面波流水槽中进行了实验,测量水下直升机的横摇角在波浪中的响应,与数值仿真结果进行对比,验证了计算的可靠性。最后将所得到的水动力整合,建立水下直升机运动仿真系统,对直航运动、回转运动、螺旋下潜等典型运动以及考虑海流、波浪、母船干扰下的运动进行了仿真,并对仿真结果进行分析,进而对水下直升机实际运动性能有一个更全面的了解,为后续的优化设计和运动控制打下了基础。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.941
【部分图文】：

１．２中英国埃塞克斯大学的“ＭＴ１”仿生机器鱼［１＼以推进行为模式为重点，运??用单个电机模块控制多个关节的尾鳍结构，实现了其在水中灵活的运动。??图１．２埃塞克斯大学“ＭＴ１”仿生机器鱼??还有一些较为新颖的水下机器人外形，例如日本东京大学研制的微小型水下??ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”［１！＞ｉ，如图?１．３?所示。总长?１．２２ｍ，宽?０．５８ｍ，高?０．５ｍ。具有扁??平化的机构外形，使用四个１００Ｗ的推进器推进，可用于海底复杂结构（如沉船）??的探查。??另外由美国夏威夷大学的自主式系统实验室（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?Ｓｙｓｔｅｍ?Ｌａｂ）研制??的“ＯＤＩＮ”球形水下机器人［２（）］，具备８个推进器，使其可以全方位的自由运动，??如图１．４所示。球体的外形具有良好的承压能力，但在水中运动的阻力较大，适??合使用于局部作业。??图１．３日本东京大学ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”?图１．４夏威夷大学“ＯＤＩＮ”球形水下机器人??４??

另外由美国夏威夷大学的自主式系统实验室（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?Ｓｙｓｔｅｍ?Ｌａｂ）研制??的“ＯＤＩＮ”球形水下机器人［２（）］，具备８个推进器，使其可以全方位的自由运动，??如图１．４所示。球体的外形具有良好的承压能力，但在水中运动的阻力较大，适??合使用于局部作业。??图１．３日本东京大学ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”?图１．４夏威夷大学“ＯＤＩＮ”球形水下机器人??４??

通过ＧＰＳ来追踪它的位置。该机器人主要用于测量水温、盐度和深度，但其运??动方式更类似于水下滑翔机，机动性和灵活性并不高。其外形和工作方式分别如??图１．５和图１．６所示。??Ｄａｔａ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｂｙ??ＧＰＳ?ｍｏｂｉｌｅ?ｐｈｏｎｅ?＼（ＯＪＭｉｒｔ．，ｎｃｌｒｔ??图１．５?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”?ＡＵＶ外形?图１．６?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”工作方式示意图??哈尔滨工程大学也设计并研制了一种具有圆碟形状的新型水下机器人［２２］，由??控制系统、推进系统、电源系统、质心调节系统以及无线通信系统五大系统组成，??其外形和内部结构示意图如图丨．７和图１．８所示。其中推进系统采用四个布置在??内部的喷水泵，通过４个喷水泵的功率配合实现水下机器人的任意平面运行。质??心调节系统则通过Ｘ、Ｙ两个轴向的重块来控制其重心，通过重力和浮力产生的??扭矩使其绕重心转动来改变姿态。推进系统与质心调节系统配合从而实现空间六??自由度的运动。??＾ｓｓ參??图丨．７哈尔滨工程大学研制的碟形水下机器人?图１．８碟形水下机器人内部结构示意??５??
【参考文献】

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本文编号：2871900