波浪滑翔器动力学分析及性能优化

发布时间：2020-11-10 23:21

　　 波浪滑翔器是一款波浪驱动的海面无人船,它由水面母船和水下牵引机组成。由于波浪滑翔器能够完成长时序、大航程的移动观测任务,近年来广泛应用于世界各地的国防、科研和商业等领域。建立准确的波浪滑翔器动力学模型,通过各种手段分析波浪滑翔器的运动特征,通过仿真与实验对其进行优化,特别是针对提高波浪滑翔器前向运动速度的优化,是波浪滑翔器大规模国产化不可逃避的问题。本文针对以上问题,开展了如下研究工作:首先,本文整理并引用最新数据对国内外波浪滑翔器的研究现状进行了较为详细的分析与比较,并对波浪滑翔器动力学研究的国内外现状进行了简要概述。其次,建立了适用的波浪滑翔器动力学模型,分析了水面母船和水下牵引机的受力,通过牛顿欧拉方法建立了波浪滑翔器动力学模型,并利用流体力学仿真方法对其前向推力进行了验证。再次,仿真得到了波浪滑翔器在典型海况下的动力学特性,分析了不同海况下“海哨兵”波浪滑翔器的前向速度与海况参数的对应关系,根据波高与波周期的联合分布规律推算了各级海况下波浪滑翔器的前向速度。然后,仿真得出了波浪滑翔器翼板的最优运动方式、翼板回复弹簧的最优刚度系数以及翼板运动夹角的最优极限位置,提出了波浪滑翔器在全海况下的最优运动形式。最后,对“海哨兵”波浪滑翔器的三次海试的实验数据进行了分析,验证本文对波浪滑翔器的各项仿真分析的有效性。研究表明:通过对比仿真结果与实验数据,可以得出本文对“海哨兵”波浪滑翔器的动力学行为分析较为可信,其优化之后的前向速度也有了进一步提升。研究成果对预测波浪滑翔器的实时航速及对波浪滑翔器的后期优化设计具有一定的指导意义和参考价值。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.3
【部分图文】：

天津工业大学硕士学位论文的动物和它们所处的环境特征，并成功应用于各项探索任务。器绕行法拉隆群岛的轨迹，其观测任务中典型的例子包括跟美国东南沿海的各种鱼类以及哈利法克斯的鲑鱼、螃蟹和鳗学技术学院海洋生物物理研宄所利用波浪滑翔器在靠近日４级飓风过境时海气界面的物理变化过程，其轨迹如图１－２所一种全新的、更为完整的台风中心海气相互作用的观点［１２］。??

其产品也随着用户的不断增多，在技术水平上不断提高，应用领域更加??广阔。??相较于Ｗａｖｅ?Ｇｌｉｄｅｒ?ＳＶ２，Ｌｉｑｕｉｄ?Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司新型的波＇浪沿翔器（Ｗａｖｅ??Ｇｌｉｄｅｒ?ＳＶ３）目前配置无线通讯、铱星通讯和船舶Ｇ动识别系统（ＡＩＳ），还搭载可??以用于海洋环境测量的多类传感器，如声学多普勒剖面流速仪、气象站和波浪传??感器用于水文气象测量，这三款传感器的作用不仅在于水文气象数据的采集，还??对波浪滑翔器的实时速度预测、航位推算和位置保持都有参考意义；此外与Ｗａｖｅ??Ｇｌｉｄｅｒ?ＳＶ２相比，新型的波浪滑翔器ＳＶ３还增设了电动推进器，在电量充足或??突发紧急状况下，可以利用电动推进器提高波浪滑翔器的瞬时速度，而且此推进??器采用矢量推进方式，能够有效增加波浪滑翔器的机动性。ＳＶ３的另外一个特点??是加装了回收浮体，在回收时利用回收浮体会减少海上作业强度，降低作业船只??的配置要求，并降低对波浪滑翔器太阳能电池板破坏的可能性。图１－４为ＳＶ３??波浪滑翔器的基本参数的配置图［２３］，表１－１为波浪滑翔器ＳＶ２和ＳＶ３的基本参??数对比。???????

——罗盘??图２－丨波浪滑翔器结构组成图??＼?ｗ?：?＿??．．．．．．??图２－２波浪滑翔器工作原理图??２．３波浪滑翔器坐标系构建及运动分析??２．３．１波浪滑翔器建模的基本假设??考虑到波浪滑翔器是一个极为复杂的多体结构，且在多变的环境中运行，其??动力学建模的建立难度较大。为了尽量保证研究的可行性，达到波浪滑翔器动力??学分析的目的，本文对波浪滑翔器进行建模时，进行了如下简化［４９＿５２］：??１．水面母船与水下牵引机经由脐带缆连接，且其连接方式为十字轴万向节连??１２??
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