矢量推进式新型水下航行器主体的关键结构研究

发布时间：2017-04-27 19:04

  本文关键词：矢量推进式新型水下航行器主体的关键结构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水下航行器是进行海洋环境监测、资源调查以及各种水下工程作业的重要装备,其远程操控安全、高效,可以全天候工作,操作员可以在相对舒适环境里工作,已经成为水下观测、海底打捞以及海洋勘测的重要工具。随着各国进军海洋的步伐不断加快,以及水下机器人技术的不断进步,各种新概念水下航行器接连出现,其作业能力不断提高,使用成本不断下降。我国近年来逐步进入这个领域,但对于矢量推进式新型水下航行器的研究仍处于比较初级的阶段。本文首先基于海底观测等大背景的需求下,介绍了新型水下航行器研究的背景和意义,在系统研究国内外研究现状的基础上,从概念设计的角度出发,提出了一种新型矢量推进式的水下航行器主要结构形式和推进方式,然后从主腔体机械结构编程设计与校核、主腔体水动力情况仿真及其流线型外形选择、矢量推进器布局设计以及新型矢量尾推进器的初步设计等方面展开,完成了一个新的探索。本文的主体部分分为以下几部分。首先针对水下航行器耐压结构的安全性要求,完成了一种针对于水下航行器主流腔体长度和壁厚的设计、校核以及安全性优化的MATLAB编程实现并做出GUI交互界面,打包成APP插件,并对其进行可靠性验证。其次针对水动力及其快速性要求,对其流线型外形优化进行了基于MATLAB的方案设计和ANSYS流体仿真,做出最优外形的选择。然后针对矢量推进的需求,提出了一种新的推进器布局形式,并对其可行性与合理性进行了分析,初步推导了其基本的运动控制方程和主要关键水动力参数。最后针对矢量推进机构三维需求,借鉴基于全回转推进机构以及基于锥齿轮多电机的柔性机器人手腕的理念,提出了一套应用于水下航行器的新型推进系统,并对其结构进行初步设计。本文的研究在一般性的理论研究基础上,制作了普适性的压力舱安全性设计与校核、最佳外形选择和对比的GUI参考软件,并通过大量数据得出了一些统计规律。另外本文概念设计的矢量推进新型水下航行器,突出了矢量控制的创新型和多方向运动的灵活性,该装备在港口近海水文环境检测、海底立体观测网络移动模块、水下军事目标和渔业生物的自动探测和识别等领域具有良好的推广前景,对于新型水下机器人的发展方向提供了一个新思路。
【关键词】：水下航行器 编程实现 腔体设计与校核 外形优化 矢量推进器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1. 绪论14-29
• 1.1. 研究背景14-15
• 1.2. 水下机器人总体概述15-18
• 1.3. 国内外研究现状18-26
• 1.3.1. 传统AUV的国内外研究现状18-22
• 1.3.2. 混合型和矢量推进式AUV的国内外研究现状22-24
• 1.3.3. 水下航行器的矢量推进器概述24-26
• 1.4. 研究目的和意义26-27
• 1.5. 本论文主要研究内容27-28
• 1.6. 小结28-29
• 2. AUV主腔体结构安全性实现与研究29-58
• 2.1. AUV主要计划设计指标29-31
• 2.2. AUV主耐压舱安全性设计31-35
• 2.2.1. 主耐压舱设计思路31
• 2.2.2. 主耐压舱强度设计31-32
• 2.2.3. 主耐压舱失稳的概念与简介32
• 2.2.4. 不同类型圆筒临界压力的计算32-35
• 2.3. AUV耐压壳体材料选择方案35
• 2.4. AUV主耐压舱的壁厚初始设计35-38
• 2.4.1. 主耐压舱初始设计思路35-37
• 2.4.2. 初始设计的MATLAB自动化实现37-38
• 2.5. AUV主耐压舱的壁厚安全性校核与优化38-44
• 2.5.1. 主耐压舱安全性校核与优化思路39-41
• 2.5.2. 安全性校核与优化的MATLAB自动化实现41-44
• 2.6. 壁厚设计与校核优化程序的可靠性验证44-45
• 2.7. 安全壁厚与设计深度的相关性研究45-50
• 2.7.1. 不同材料的安全壁厚与设计深度的关系45-47
• 2.7.2. 不同细长比时安全壁厚与设计深度的关系47-49
• 2.7.3. 不同细长比下安全厚径比与设计深度的关系49-50
• 2.8. 有效外载系数与设计深度的关系50-56
• 2.8.1. AUV主耐压舱的有效外载系数计算51
• 2.8.2. 不同细长比下有效外载系数与设计深度的关系51-53
• 2.8.3. 不同材料舱体有效外载系数与设计深度的关系53-56
• 2.9. 小结56-58
• 3. AUV主体导流外型线型研究58-70
• 3.1. 回转体型线的描述与设计58-61
• 3.1.1. 流线型回转体外型的描述设计方法概述59-60
• 3.1.2. 具有精确数学方程的外形曲线描述设计方法60-61
• 3.2. 常见AUV机体外形的研究与方案设计的自编程建模61-69
• 3.2.1. 方案一62-63
• 3.2.2. 方案二63-64
• 3.2.3. 方案三64-65
• 3.2.4. 方案四65
• 3.2.5. 方案五65-67
• 3.2.6. 方案六67-69
• 3.3. 小结69-70
• 4. AUV主体外形方案水动力仿真分析70-78
• 4.1. 水动力计算分析方法70
• 4.2. CFD基础与模型建立70-72
• 4.3. 基于水阻力仿真的主体方案选择72-77
• 4.3.1. ICEM网格划分与试算条件设定72-74
• 4.3.2. 阻力仿真的无关性验证74-75
• 4.3.3. 六种主体外形的水动力性能研究75-77
• 4.4. 小结77-78
• 5. 推进系统方案设计78-97
• 5.1. 推进器数量的确定78-79
• 5.2. 推进器的布置设计79-82
• 5.3. 矢量推进系统的设计82-83
• 5.4. AUV的运动方程和动力学方程研究83-91
• 5.4.1. 坐标系的建立84-85
• 5.4.2. 速度和加速度的坐标变换85-86
• 5.4.3. AUV的运动方程86-88
• 5.4.4. AUV的平衡方程和水动力系数研究88-91
• 5.5. 推进机构关键部件的设计91-96
• 5.5.1. 全回转型矢量机构的概念设计91-93
• 5.5.2. 尾矢量推进器的概念设计与运动学分析93-96
• 5.6. 小结96-97
• 6. 总结与展望97-100
• 6.1. 总结97-99
• 6.2. 展望99-100
• 7. 附录100-118
• 7.1. 附录一：初始壁厚设计的MATLAB GUI实现源代码100-104
• 7.2. 附录二：AUV腔体安全性校核与壁厚优化流程图104-105
• 7.3. 附录三：腔体安全性校核与壁厚优化GUI实现源代码105-110
• 7.4. 附录四：外形方案设计GUI界面实现源代码110-118
• 参考文献118-124
• 攻读硕士学位期间主要的研究工作124

【参考文献】

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本文编号：331220