水下滑翔器的优化设计与运动分析

发布时间：2017-09-25 19:26

  本文关键词：水下滑翔器的优化设计与运动分析

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【摘要】：水下滑翔器是为满足更广泛的海洋监测和海底资源勘探的需要而开发的一种新型无人水下机器人。它不外挂推进器,仅依靠浮力驱动和姿态调整,以一条锯齿形的轨迹在水中航行。由于具有低阻低噪、低成本、续航时间长、航行范围广的优点,水下滑翔器可广泛应用于军事调查和民用领域中。水阻力是影响水下滑翔器性能的关键因素。本文以中小型水下滑翔器为研究对象,设计一款低阻力的新构型水下滑翔器。本文研究的主要内容如下:(1)水下滑翔器的工作原理,并进行总体设计。(2)水下滑翔器外形的优化设计。先设计主体外形,通过对比分析几种常见的水下滑翔器主体外形的水阻力性能,选出水动力性能较好的主体外形;再设计附体(水平机翼和垂直尾翼)外形,包括翼型的选取,展长、弦长、后掠角的设计与翼的布置,得到一个水阻性能较优的完整水下滑翔器的外形。然后基于多目标优化理论(MDO)和优化算法NSGA-II,用软件ISIGHT进行集成优化分析,得到综合性能最优的水下滑翔器的外形构型。最后将这个新构型与水下滑翔器经典的三种模型进行水动力的比较分析,验证了该构型的优化性。(3)运动的建模与分析。对水下滑翔器建立了6自由度运动方程,再将滑翔器的运动特殊化和线性化,得到垂直面上的稳定滑翔的运动方程,结合CFD理论和FLUENT流体仿真计算得到的水动力特性系数,讨论稳定滑翔时的运动参数(攻角α,俯仰角θ,滑翔速度V)与控制参数(净浮力的质量m0和重心的轴向位移xG)之间的关系,为后续设计提供参考。接着计算稳定滑翔运动改变时,内部姿态调节机构的调整量,最后对定常回转运动的规律进行了分析并对调整量进行估算。(4)水下滑翔器内部机械结构的设计。在外形尺寸的基础上,对四个模块-耐压外壳体、姿态调整机构、浮力驱动机构、尾舵机构分别进行设计,并验证设计的强度与参数设计的合理性。
【关键词】：水下滑翔器 外形优化设计 运动分析 机械设计 CFD ISIGHT
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH766;TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-26
• 1.1 课题研究背景与意义16
• 1.2 水下滑翔器的发展及国内外研究现状16-23
• 1.3 水下滑翔器的应用价值与发展方向23-24
• 1.4 课题来源与研究内容24-26
• 2 水下滑翔器工作原理与总体设计26-29
• 2.1 水下滑翔器工作原理26-28
• 2.2 水下滑翔器系统组成与总体设计28
• 2.3 本章小结28-29
• 3 水下滑翔器外形设计与优化29-51
• 3.1 主体外形设计与优选29-32
• 3.1.1 主体的四种经典外形29-30
• 3.1.2 四种主体的水动力性能对比分析30-32
• 3.2 附体设计与优选32-41
• 3.2.1 水平机翼的参数优选33-37
• 3.2.2 尾翼的参数优选37-41
• 3.3 整机的水动力分析41-50
• 3.3.1 优化方法介绍41-43
• 3.3.2 软件接口模块43-44
• 3.3.3 参数模型的建立44
• 3.3.4 优化设计公式44-45
• 3.3.5 优化结果45-46
• 3.3.6 优化前后性能分析对比46-47
• 3.3.7 AUG样机与三种经典机型的水动力性能分析对比47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 水下滑翔器运动建模与分析51-77
• 4.1 水下滑翔器的运动建模51-53
• 4.1.1 坐标系的建立51-53
• 4.1.2 内部质量分布53
• 4.2 垂直面内定常滑翔状态的运动分析53-71
• 4.2.1 定常滑翔状态垂直面内的运动方程建立53-57
• 4.2.2 水动力模型57-58
• 4.2.3 基于CFD的AUG水动力仿真与参数计算58-71
• 4.3 垂直面定常滑翔时姿态调整机构调节分析71-73
• 4.4 空间螺旋回转运动73-76
• 4.5 本章小结76-77
• 5 水下滑翔器机械系统结构设计77-104
• 5.1 水下滑翔器系统组成77-78
• 5.2 耐压外壳体的设计78-84
• 5.2.1 壳体壁厚计算和强度校核78-81
• 5.2.2 有限元分析与验证81-83
• 5.2.3 连接与密封83-84
• 5.3 姿态调整机构84-96
• 5.3.1 俯仰机构86-92
• 5.3.2 旋转机构92-96
• 5.4 浮力驱动机构96-101
• 5.4.1 方案的选择与原理97-98
• 5.4.2 内部零部件的结构设计98-101
• 5.5 尾舵机构101-103
• 5.6 本章小结103-104
• 6 全文总结104-107
• 6.1 总结104
• 6.2 创新点讨论104-105
• 6.3 展望105-107
• 参考文献107-112
• 作者简历112

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本文编号：919189