水下拖缆稳态运动的多目标优化研究
发布时间：2021-04-10 21:38
通过建立拖缆稳态运动的数学模型,给出运动控制方程,确定拖缆状态的6个参数,采用试验设计的方法在参数取值范围内选取样本点,对尾端拖曳深度和首端张力进行计算,建立尾端拖曳深度和首端张力的二阶多项式响应面模型。优化目标设定为尾端拖曳深度最大化和首端张力最小化,采用多目标遗传算法,给出Pareto最优解集。结果表明,参数在一定范围内,采用近似模型对拖缆优化,可以提高效率,能较为精确分析各参数对拖缆状态的影响。
【文章来源】：兵器装备工程学报. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
参数对首端张力影响
为简化讨论过程，本文仅讨论稳定海流下自由端拖缆的运动模型，其拖曳系统如图1。其他的拖曳形式，例如尾端加载拖船、尾绳、水下拖体及其他的缆载设备，相比自由端仅在边界条件上存在区别，此处不详细讨论。将拖缆视为理想的柔性圆形缆绳，由水下航行器(AUV)搭载，建立空间固定的惯性坐标系O-XYZ，单位矢量定义为(i,j,k)，附着在拖缆上的局部坐标系btn，单位矢量定义为(b,t,n)。轴t表示拖缆切向，方向为缆长s的增长方向;轴n表示拖缆的法向，处在轴t和轴t在OXY平面内的投影所组成的平面内，并垂直于轴t;轴b与轴n和轴t共同组成右手笛卡尔坐标系。定义欧拉角θ，?为拖缆微元相对惯性坐标系的姿态角，θ为Otn平面偏离OX轴的角度，?为轴t偏离OXY平面的角度，θ∈(-180°，180°]，?∈(-90°，90°]，两个欧拉角均以逆时针方向为正方向。惯性坐标系和局部坐标系通过姿态角相关联，转换关系如下:
本优化过程的种群规模为24，遗传代数为50，交叉概率为0.9，所得深度和张力的Pareto前沿散点分布如图2，选取3个优化方案，方案1中Z最大，方案2中F最小，方案3位于中间，所得优化结果如表2所示。Pareto前沿为非支配解集，最终方案的选择依赖于实际情况和选择者偏好[11]。本文同时在ISIGHT平台上通过数据处理给出各参数对尾端拖曳深度和首端张力影响的Pareto柱状图，如图3和图4所示。图3的第一条、第三条和第六条以及图4的第四条和第六条表示该参数与响应呈负相关关系，其余表示该参数与响应呈正相关关系。可以看出，拖曳速度vy对尾端拖曳深度和张力的贡献程度百分比最大，分别达到了-52.53%和62.56%;其余各参数中，拖缆密度u和法向阻力系数Cn对尾端拖曳深度贡献程度百分比较大，分别为32.47%和-12.24%，切向阻力系数Ct和拖缆密度u对张力贡献程度百分比较大，分别为22.18%和12.12%，而杨氏模量E和流体密度ρ对两者的贡献程度均可忽略不计。以上分析结果基本和文献[5]所得结论一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进弹丸追踪法的舰炮校射方法研究[J]. 陈维义,程晗,刘国强,徐义桂. 兵器装备工程学报. 2019(05)
[2]不同模式下拖缆对水下拖体运动姿态的影响研究[J]. 张大朋,白勇,朱克强. 船舶力学. 2018(08)
[3]流固耦合作用下的碳纤维螺旋桨多目标优化[J]. 王建,杨卓懿,庞永杰,韩旭亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(12)
[4]响应面模型在艇型多目标优化中的应用[J]. 杨卓懿,庞永杰,王建,宋磊. 哈尔滨工程大学学报. 2011(04)
[5]船舶初步设计的多目标优化研究(英文)[J]. 黄海燕,王德禹. 船舶力学. 2009(03)
[6]水下拖曳系统的稳态运动分析与设计[J]. 王飞,黄国樑,邓德衡. 上海交通大学学报. 2008(04)
[7]Steady State Analysis of Towed Marine Cables[J]. 王飞,黄国樑,邓德衡. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2008(02)
硕士论文
[1]拖曳系统运动仿真计算[D]. 张攀.武汉理工大学 2005
本文编号：3130378
【文章来源】：兵器装备工程学报. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
参数对首端张力影响
为简化讨论过程，本文仅讨论稳定海流下自由端拖缆的运动模型，其拖曳系统如图1。其他的拖曳形式，例如尾端加载拖船、尾绳、水下拖体及其他的缆载设备，相比自由端仅在边界条件上存在区别，此处不详细讨论。将拖缆视为理想的柔性圆形缆绳，由水下航行器(AUV)搭载，建立空间固定的惯性坐标系O-XYZ，单位矢量定义为(i,j,k)，附着在拖缆上的局部坐标系btn，单位矢量定义为(b,t,n)。轴t表示拖缆切向，方向为缆长s的增长方向;轴n表示拖缆的法向，处在轴t和轴t在OXY平面内的投影所组成的平面内，并垂直于轴t;轴b与轴n和轴t共同组成右手笛卡尔坐标系。定义欧拉角θ，?为拖缆微元相对惯性坐标系的姿态角，θ为Otn平面偏离OX轴的角度，?为轴t偏离OXY平面的角度，θ∈(-180°，180°]，?∈(-90°，90°]，两个欧拉角均以逆时针方向为正方向。惯性坐标系和局部坐标系通过姿态角相关联，转换关系如下:
本优化过程的种群规模为24，遗传代数为50，交叉概率为0.9，所得深度和张力的Pareto前沿散点分布如图2，选取3个优化方案，方案1中Z最大，方案2中F最小，方案3位于中间，所得优化结果如表2所示。Pareto前沿为非支配解集，最终方案的选择依赖于实际情况和选择者偏好[11]。本文同时在ISIGHT平台上通过数据处理给出各参数对尾端拖曳深度和首端张力影响的Pareto柱状图，如图3和图4所示。图3的第一条、第三条和第六条以及图4的第四条和第六条表示该参数与响应呈负相关关系，其余表示该参数与响应呈正相关关系。可以看出，拖曳速度vy对尾端拖曳深度和张力的贡献程度百分比最大，分别达到了-52.53%和62.56%;其余各参数中，拖缆密度u和法向阻力系数Cn对尾端拖曳深度贡献程度百分比较大，分别为32.47%和-12.24%，切向阻力系数Ct和拖缆密度u对张力贡献程度百分比较大，分别为22.18%和12.12%，而杨氏模量E和流体密度ρ对两者的贡献程度均可忽略不计。以上分析结果基本和文献[5]所得结论一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进弹丸追踪法的舰炮校射方法研究[J]. 陈维义,程晗,刘国强,徐义桂. 兵器装备工程学报. 2019(05)
[2]不同模式下拖缆对水下拖体运动姿态的影响研究[J]. 张大朋,白勇,朱克强. 船舶力学. 2018(08)
[3]流固耦合作用下的碳纤维螺旋桨多目标优化[J]. 王建,杨卓懿,庞永杰,韩旭亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(12)
[4]响应面模型在艇型多目标优化中的应用[J]. 杨卓懿,庞永杰,王建,宋磊. 哈尔滨工程大学学报. 2011(04)
[5]船舶初步设计的多目标优化研究(英文)[J]. 黄海燕,王德禹. 船舶力学. 2009(03)
[6]水下拖曳系统的稳态运动分析与设计[J]. 王飞,黄国樑,邓德衡. 上海交通大学学报. 2008(04)
[7]Steady State Analysis of Towed Marine Cables[J]. 王飞,黄国樑,邓德衡. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2008(02)
硕士论文
[1]拖曳系统运动仿真计算[D]. 张攀.武汉理工大学 2005
本文编号：3130378
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/3130378.html
