自主式水下机器人动力学建模及水动力性能分析
发布时间：2021-02-08 18:02
近几十年来,随着海洋科学技术的不断发展,自主式水下机器人（AUV）在海洋科学领域,军事领域和商业领域都起到了重要的作用。AUV的运动具有高度非线性、参数时变性等特点,因此建立精确的运动模型对AUV的运动控制、预测及仿真十分关键。AUV的模型建立的是否精确很大程度上取决于它的水动力参数,所以研究水下机器人的水动力参数变得十分的重要。首先,本文以某自主式水下机器人为研究对象,基于牛顿-欧拉方程的空间六自由度运动方程,建立了水下机器人动力学模型,并分析得到水下机器人受到的力和力矩与水动力系数的关系式。其次,运用CFD方法对水下机器人进行网格划分,然后建立数值计算模型,进行直航数值计算。将计算获得的数据与水槽拖拽试验数据进行了比较,验证数值计算的可行性。同时分析了GPS天线模型对尾流场桨盘面的影响,获得一种较好的GPS天线线型。随后又分别进行了尾舵数值计算以及艇体斜航数值计算,最终获得了直航与斜航相对应的水动力系数。然后,运用Fluent中的动网格技术对水下机器人六自由度运动进行数值计算,获得相应的水动力系数。接着根据数值计算获得的水动力系数进一步进行耦合计算获得其它难以直接试验获得的水动力系...
【文章来源】：中国计量大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外AUV研究发展现状
1.2.1 国外AUV研究发展现状
1.2.2 国内AUV研究发展现状
1.3 国内外AUV数值计算发展现状
1.3.1 国外AUV数值计算研究发展现状
1.3.2 国内AUV数值计算研究发展现状
1.4 本文主要研究内容
2 建立AUV动力学模型
2.1 本章引论
2.2 坐标系的建立和参数定义
2.3 水下机器人六自由度运动方程
2.3.1 水下机器人水平面操纵运动方程
2.3.2 水下机器人垂直面操纵运动方程
2.4 本章小结
3 AUV直航,斜航时水动力计算
3.1 本章引论
3.2 水下机器人及其附体网格划分
3.3 水下机器人GPS天线数值计算
3.3.1 数学模型
3.3.2 湍流模型
3.3.3 计算对象
3.3.4 边界条件
3.3.5 计算方法验证
3.4 桨盘面伴流分析
3.5 尾舵性能数值计算
3.6 水下机器人直航性能数值计算
3.7 水下机器人斜航性能数值计算
3.8 本章小结
4 AUV水动力系数数值模拟计算
4.1 本章引论
4.2 计算模型及网格划分
4.3 数值计算及分析
4.3.1 计算方法验证
4.3.2 纯升沉运动
4.3.3 纯俯仰运动
4.3.4 纯横荡运动
4.3.5 纯艏摇运动
4.4 非线性水动力系数的推算
4.5 水下机器人水动力系数汇总
4.6 本章小结
5 运动性能分析测试
5.1 本章引论
5.2 运动稳定性分析
5.2.1 水平面稳定分析
5.2.2 垂直面稳定分析
5.3 操纵性运动仿真
5.4 本章小结
6 结论
6.1 研究总结
6.2 需要进一步开展的工作
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数值模拟的艉型及适伴流高效桨优化设计[J]. 宋才生,张华,陈林,周琦,郭磊,曾凡辉. 中国水运(下半月). 2017(08)
[2]潜艇指挥台围壳线型对尾流场的影响研究[J]. 盛立,王展智,齐万江. 舰船电子工程. 2016(12)
[3]关于我国海洋经济发展相关问题的研究[J]. 王占坤. 海洋信息. 2016(03)
[4]水下自航行器外形及水动力性能优化[J]. 薛侠峰,严天宏. 计算机测量与控制. 2016(03)
[5]深水自主水下航行器附体安装结构参数优化及涡流噪声分析[J]. 姜欣,刘玉红,朱光,吴芝亮,赵黎明. 机械工程学报. 2015(17)
[6]6000m AUV“潜龙一号”浮力调节系统开发及试验研究[J]. 武建国,石凯,刘健,徐会希,王雨,李阳,徐春辉. 海洋技术学报. 2014(05)
[7]Myring型回转体直航阻力计算及艇型优化[J]. 庞永杰,王亚兴,杨卓懿,高婷. 哈尔滨工程大学学报. 2014(09)
[8]论海洋观测技术装备在我国海洋强国建设中的战略地位[J]. 罗续业. 海洋开发与管理. 2014(03)
[9]潜艇指挥台围壳优化设计方案研究[J]. 吕鸣鹤. 中国水运(下半月). 2014(01)
[10]基于随体坐标系的水下机器人水动力数值计算方法[J]. 胡志强,衣瑞文,林扬,谷海涛,王超. 科学通报. 2013(S2)
博士论文
[1]着陆式AUV动力学行为与控制策略研究[D]. 杜兵.天津大学 2012
[2]混合驱动水下滑翔器系统设计与性能分析[D]. 武建国.天津大学 2010
硕士论文
[1]小型自治水下机器人外形优化设计及水动力特性数值模拟[D]. 王鑫.中国海洋大学 2012
[2]微小型水下机器人运动仿真研究[D]. 王波.哈尔滨工程大学 2008
[3]水下机器人运动稳定性的研究[D]. 郝艳仲.浙江大学 2006
本文编号：3024320
【文章来源】：中国计量大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外AUV研究发展现状
1.2.1 国外AUV研究发展现状
1.2.2 国内AUV研究发展现状
1.3 国内外AUV数值计算发展现状
1.3.1 国外AUV数值计算研究发展现状
1.3.2 国内AUV数值计算研究发展现状
1.4 本文主要研究内容
2 建立AUV动力学模型
2.1 本章引论
2.2 坐标系的建立和参数定义
2.3 水下机器人六自由度运动方程
2.3.1 水下机器人水平面操纵运动方程
2.3.2 水下机器人垂直面操纵运动方程
2.4 本章小结
3 AUV直航,斜航时水动力计算
3.1 本章引论
3.2 水下机器人及其附体网格划分
3.3 水下机器人GPS天线数值计算
3.3.1 数学模型
3.3.2 湍流模型
3.3.3 计算对象
3.3.4 边界条件
3.3.5 计算方法验证
3.4 桨盘面伴流分析
3.5 尾舵性能数值计算
3.6 水下机器人直航性能数值计算
3.7 水下机器人斜航性能数值计算
3.8 本章小结
4 AUV水动力系数数值模拟计算
4.1 本章引论
4.2 计算模型及网格划分
4.3 数值计算及分析
4.3.1 计算方法验证
4.3.2 纯升沉运动
4.3.3 纯俯仰运动
4.3.4 纯横荡运动
4.3.5 纯艏摇运动
4.4 非线性水动力系数的推算
4.5 水下机器人水动力系数汇总
4.6 本章小结
5 运动性能分析测试
5.1 本章引论
5.2 运动稳定性分析
5.2.1 水平面稳定分析
5.2.2 垂直面稳定分析
5.3 操纵性运动仿真
5.4 本章小结
6 结论
6.1 研究总结
6.2 需要进一步开展的工作
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数值模拟的艉型及适伴流高效桨优化设计[J]. 宋才生,张华,陈林,周琦,郭磊,曾凡辉. 中国水运(下半月). 2017(08)
[2]潜艇指挥台围壳线型对尾流场的影响研究[J]. 盛立,王展智,齐万江. 舰船电子工程. 2016(12)
[3]关于我国海洋经济发展相关问题的研究[J]. 王占坤. 海洋信息. 2016(03)
[4]水下自航行器外形及水动力性能优化[J]. 薛侠峰,严天宏. 计算机测量与控制. 2016(03)
[5]深水自主水下航行器附体安装结构参数优化及涡流噪声分析[J]. 姜欣,刘玉红,朱光,吴芝亮,赵黎明. 机械工程学报. 2015(17)
[6]6000m AUV“潜龙一号”浮力调节系统开发及试验研究[J]. 武建国,石凯,刘健,徐会希,王雨,李阳,徐春辉. 海洋技术学报. 2014(05)
[7]Myring型回转体直航阻力计算及艇型优化[J]. 庞永杰,王亚兴,杨卓懿,高婷. 哈尔滨工程大学学报. 2014(09)
[8]论海洋观测技术装备在我国海洋强国建设中的战略地位[J]. 罗续业. 海洋开发与管理. 2014(03)
[9]潜艇指挥台围壳优化设计方案研究[J]. 吕鸣鹤. 中国水运(下半月). 2014(01)
[10]基于随体坐标系的水下机器人水动力数值计算方法[J]. 胡志强,衣瑞文,林扬,谷海涛,王超. 科学通报. 2013(S2)
博士论文
[1]着陆式AUV动力学行为与控制策略研究[D]. 杜兵.天津大学 2012
[2]混合驱动水下滑翔器系统设计与性能分析[D]. 武建国.天津大学 2010
硕士论文
[1]小型自治水下机器人外形优化设计及水动力特性数值模拟[D]. 王鑫.中国海洋大学 2012
[2]微小型水下机器人运动仿真研究[D]. 王波.哈尔滨工程大学 2008
[3]水下机器人运动稳定性的研究[D]. 郝艳仲.浙江大学 2006
本文编号：3024320
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