水下滑翔机运动特性建模与仿真

为了模拟滑翔机在改变浮力大小、质心位置后产生滑翔运动的能力以及回转特性,针对水下滑翔机的运动控制特点,基于柯西霍夫方程,建立了水下滑翔机六自由度空间运动非线性仿真分析模型.对HUST-2号水下滑翔机在垂直平面内的滑翔运动以及回转运动的仿真结果和试验结果进行了比较,两者符合得较好,验证了数学模型的准确性,为利用该模型设计新型滑翔机提供了有效的工具.     

喷泵型水下滑翔机垂直面内定常运动特性计算

为了了解带喷泵的水下滑翔机在垂直面内定常运动的特性,依据滑翔机六自由度空间运动方程,建立了垂直面内定常运动的运动方程,给出了其迭代计算算法.利用该算法,研究了HUST-2号滑翔机重浮力差、喷泵推力、初始俯仰角和机翼安装位置对滑翔速度及滑翔速度水平分量的影响,分析了滑翔机垂直剖面内定常滑翔时滑翔角的取值范围.结果表明,随着滑翔机重浮力差的增加,滑翔速度逐渐增大,攻角减小,俯仰角的绝对值增大.喷泵推力可有效提升滑翔机的滑翔速度.初始俯仰角及机翼的安装位置对滑翔速度有较大影响,对每一个重浮力差,都存在着一个最佳初始俯仰角使得滑翔速度水平分量达到最大值.机翼位置靠后安装能获得更大的滑翔速度.要减小滑翔机滑翔角的绝对值,须增加滑翔机的升阻比.     

圆碟形潜水器阻力性能研究

提出了一种新型碟形潜水器外形设计.在三维贴体坐标系下,采用有限体积法求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程,使用标准k-ε湍流模型实现方程的封闭,数值模拟了艇体周围的粘性流场.通过对不同雷诺数下的粘性绕流和阻力性能的研究,并与水池实验结果相比较,证明了数值计算在潜水器阻力性能研究方面的应用价值.     

基于缩比模型的水下滑翔机运动相似性研究

利用水下滑翔机缩比模型预报原型运动特征及滑翔经济性的前提是两者运动相似．以天津大学自主研制的PetrelⅡ水下滑翔机作为研究对象,从相似理论出发,基于动力学方程及纳维-斯托克斯(N-S)方程,推导了水下滑翔机原型与模型在运动相似时应当满足相似准则以及相似转换关系．采用计算流体动力学方法计算了不同缩比情况下水下滑翔机的升力系数及阻力系数,得到了尺度相似比与升力系数、阻力系数的关系．分析表明,在稳定滑翔状态下,水下滑翔机缩比模型与原型运动相似需要满足弗劳德准则;在该准则下,在一定的缩尺比范围内,升力系数与阻力系数的尺度效应并不明显,以尺度相似比为0.5设计缩比模型最为合适．通过水池试验获得了缩比模型在一定俯仰角下的速度、升阻比等运动参数,试验结果表明：缩比模型与原型间存在运动相似性;缩比模型在水池试验中得到的横向速度、垂向速度和升阻比与水下滑翔机原型海试结果吻合较好,相对误差满足工程误差要求．论文提出的利用水下滑翔机缩比模型对原型运动参数和滑翔经济性进行预报切实可行,可为大型水下滑翔机的设计提供实验室验证平台,对于缩短研发周期具有重要意义．     

水下滑翔机垂直面运动的前馈级联控制

针对水下滑翔机的结构特点,通过对不同控制策略的研究,提出前馈级联控制策略.首先,通过合理简化,建立水下滑翔机的纵平面运动模型;其次,基于水下滑翔机的航行要求和调节机构的特点,对单环控制策略、前馈反馈控制策略和前馈级联控制策略的控制原理进行分析研究;最后,利用Slocum滑翔机的基本参数,采用单环控制、前馈反馈控制和前馈级联控制三种不同控制策略对水下滑翔机进行仿真研究.对滑翔机俯仰角、滑翔速度、攻角、姿态控制滑块位置和浮力驱动系统质量等系统参数的对比分析表明,前馈级联控制策略在静态性能和动态性能方面均具有明显优势,可以使水下滑翔机快速实现对控制指令的跟踪响应,系统超调量小,状态切换平稳,适合于水下滑翔机的运动控制.     

空投型水下滑翔机的展翼方法研究

为降低入水冲击中机翼所承受的水动力,提出利用水溶性材料使水下滑翔机的机翼在入水前收紧、入水后展开.针对选定的水溶性材料,进行干燥状态和浸水状态的拉伸试验.在干燥状态下,分析材料带宽度及层数对材料带力学特性的影响.在浸水状态下,测试不同宽度和层数水溶性材料带在给定负载作用下的溶水断裂时间.试验结果表明:材料的拉伸极限载荷随材料厚度的增大而增大,变化规律为线性;当采用相同的材料带宽度和层数时,水溶膜的抗拉能力最强,无纺布的抗拉能力最弱;在给定负载作用下,无纺布的溶水断裂最快.综合考虑材料的力学性能和水溶性能,选定无纺布作为机翼的绑扎材料;展翼模型试验验证了提出的展翼方法的可行性.     

面向水下定点探测的水下滑翔机控制参数优化

水下滑翔机依靠净浮力和姿态调节即可实现空间运动,是一种新兴的海洋探测机器人。该文面向水下定点探测任务,开展滑翔机控制参数优化方法的研究。首先,以典型水下滑翔机为研究对象,建立了整机动力学模型,同时建立了滑翔机下潜运动的能耗模型。在此基础上,利用动力学仿真获取样本点,采用四阶多项式建立了以控制参数为输入,以滑翔机到达目标深度的能耗、运动时间和水平位移为输出的代理模型。之后,将控制参数作为优化设计变量,以最小化能耗和运动时间为优化目标,利用水平位移构造约束条件,建立优化数学模型。采用代理模型参与优化迭代计算,确保优化计算效率。最后,利用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)求解上述优化问题,得到控制参数的Pareto最优解集。数值算例证明了所提出方法的正确性,可用于指导实际探测任务的控制参数配置。     

在碧波里驰骋——水下滑翔机

憨态可掬的企鹅不会飞翔,在陆地上走起路来也是摇摇晃晃。可只要潜到水下,小家伙们就如有神助,身手立刻变灵活,像一艘艘水下滑翔机。不对,滑翔机不是该在天上翱翔吗？其实,还真有能在水下＂飞＂的滑翔机呢!水下滑翔机是一种新型水下机器人,     

水下滑翔机低速螺旋桨的推进效率

为了研究混合驱动型水下滑翔机低速螺旋桨的几何设计参数,了解其与推进效率的关系,通过螺旋桨曲线算法计算桨叶特征点,并建立三维模型,基于升力线理论研究螺旋桨直径、转速、叶宽分布、厚度分布等几何参数对螺旋桨水动力性能的影响,运用流体力学仿真分析软件验证螺旋桨的水动力性能。对比分析结果可知:直径及转速对螺旋桨推进效率影响较大,叶宽及厚度分布对其影响较小;根据流体力学分析可知桨毂对螺旋桨推进效率有一定的影响,同时可得低速情况下推进效率较高的螺旋桨叶片设计参数。结果表明,低载荷螺旋桨在低转速、大直径、小叶宽分布、小厚度分布下的推进效率较高,可达0.73。     

水下排气气泡运动特性及其数值模拟研究

通过对水下排气气泡的受力分析,建立了一个工程实用的水下气泡运动数学模型．通过对模型的求解,获得水下气泡运动特性,发现气泡在脱离其出口后,在很短时间内即向上运动,且铅垂方向速度很快达到一定值,但有较小波动,水平各向速度很快趋于零。     

水下滑翔机海底驻留流体动力及稳定性仿真

为了研究水下滑翔机的稳定驻留问题进行了数值仿真,包括定义滑翔机的2种失稳状态,即流体对驻留平台的作用力大于支架与海底的摩擦阻力时发生的滑移,以及流体对驻留平台的翻转力矩大于负浮力所能提供的最大约束力矩时发生的翻转,建立临界失稳的数学模型。考虑滑翔机与流场和海床的复合影响,运用Ansys CFX软件完成了数值仿真,仿真时研究了流场速度0~2m/s、浮心到海底距离0.15~0.5m以及不同攻角及方位角对驻留状态的影响,由此绘制了流体对驻留平台的作用力和力矩变化曲线。研究结果表明:浮心到海底距离小于0.3 m时壁面效应明显,有利于稳定驻留;滑翔机驻留攻角将极大影响驻留平台的稳定性;方位角在150°~155°时流体扰动最大。该结果可为滑翔机的设计定型和实际驻留研究提供参考。     

水下枪发射机构的运动与动力特性研究

对水下枪击发发射机构作运动学和动力学分析计算。应用矩阵变换原理，建立发射机构的运动学方程；应用拉格朗日方程建立发射机构的动力学方程，建立击针击打运动过程的数学模型；应用水阻力估算公式，建立击针在运动过程中考虑水阻力时的运动学方程。分别对水下枪发射机构的运动学和动力学方程以及击针运动方程进行数值仿真，分别绘制仿真曲线，并对仿真结果作分析和讨论。     

基于组合优化算法的碟形水下滑翔机结构优化

圆碟形水下滑翔机的耐压壳体重量大小直接影响其整体性能。为解决只采用一种优化方法进行耐压壳体结构优化设计,很难得到真正的全局最优解的问题。首先,分别采用单目标优化、多目标优化方法进行碟形水下滑翔机结构优化方案设计。然后,设计全局探索型优化算法和数值型优化算法相结合的组合优化算法,对圆碟形水下滑翔机的耐压壳体进行优化设计;并与采用单独优化算法的优化设计结果进行比较分析。结果表明:MIGA和Hooke-jeeves组合优化算法获得很好地单目标优化效果;AMGA和Hooke-jeeves组合优化算法获得很好地多目标优化效果。     

基于数据驱动的水下滑翔机生物污损监测方法

以我国自主研发的“海燕-L”水下滑翔机为研究对象,针对其长时间运行过程中出现的生物污损问题,提出了一种基于数据驱动的水下滑翔机生物污损监测方法,以指导试验过程中控制参数制定与任务规划．首先,通过动力学模型仿真分析,研究了生物污损对水下滑翔机单剖面运行时间的影响．然后,根据动力学分析结果,结合岸基操控条件以及水下滑翔机的通信方式,提出了一种生物污损监测方法：基于机器学习方法,利用水下滑翔机未发生生物污损时的关键数据,建立单剖面运行时间预测模型;对试验过程中水下滑翔机的单剖面运行时间进行预测,并监测其预测偏差;利用所建立的阻力系数与预测偏差的关系式,预测生物污损引起的阻力变化．最后,通过海上试验验证了所提出方法的正确性与有效性．试验结果显示,单剖面运行时间预测偏差与阻力系数均可以反映水下滑翔机的生物污损程度．当水下滑翔机正常运行时,所提出的方法对其阻力系数的最大预测误差仅为2%,可以实现对生物污损程度的准确监测．该方法只需要使用水下滑翔机运行过程中的部分关键数据,即可快速获取其性能变化,极大提高了监测效率,可以为“海燕-L”的实际海上应用提供支持．同时,该方法也可以为其他类型水下滑翔机的性...     

基于组合算法的碟形水下滑翔机结构稳健优化

为提高圆碟形水下滑翔机耐压结构优化设计方案的可靠性,引入稳健性设计方法进行优化设计.首先,采用拉丁超立方方法进行试验设计,建立了预测圆碟形耐压结构性能的径向基神经网络模型;采用存档微遗传算法(AMGA)和Hooke-jeeves组合优化算法,给出了耐压壳体结构多目标优化方案;然后,应用蒙特卡罗描述性抽样方法对确定性优化结果进行了可靠性分析;在此基础上,考虑工业制造过程中不确定性因素,进行耐压结构稳健性优化求解.优化结果表明:结构质量减少了20.03%,轻量化效果明显;各设计变量和优化目标的可靠度均达到100%,优化结果具有较好的稳健性.     

水下枪械弹道特性研究

由于工作环境的特殊性，水下轻武器与常规武器的内外弹道特性具有显著差异，该文在分析水下枪械的内、外弹道特性的基础上，建立了适宜水下枪械内弹道方程组，分析了水中弹丸运动受力情况，建立了杆形弹丸水中运动速度衰减规律方程。实验表明，该分析方法可行，为水下轻武器的工程化设计奠定了坚实的理论基础和技术支撑。     

溃坝(堤)堵口单件水下运动特性试验

为了研究堵口单件的水下运动特性及其受投放方式等因素的影响,为紧急堵口方案中直升机的利用提供可靠的技术支撑,针对多种溃坝堵口单件,在玻璃水槽中进行了投放模型试验.从投放方式、竖直方向初速度、密度、形状和水流表面流速这5个方面进行了30种工况的试验.通过试验数据的处理,分析比较了不同工况下多种因素对堵口单件水下运动特性的影...     

水下输液管道动力特性研究

该文研究水下横向输液管道的动力特性，假定管道系统承受外界均匀流的作用，同时考虑管内流体流动的影响。建立了水下输液管道侧向振动的微分方程。采用Hermite插值函数和Galerkin法离散得其有限元标准形式。研究管内流动为恒定流时输液管道长度、内部流体流动速度对管道动力特性的影响及管内流动含有谐波挠动的情况下输液管道固有频率的变化。结果表明，在管内恒定流动的情况下。输液的自振频率随管道长度及管内流速的增加而降低，同时管内流动的谐波挠动对管道的自振频率也有影响。     

长江口水下微地貌运动高分辨率探测研究

1997年枯季和1998年全流域特大洪水后期对长江口区主航槽分别进行了走航和定点探测,获得了近底紊流猝发、床面泥沙喷发及其伴随的大尺度底形运动的连续时间序列可视图像和数据.分析结果表明:细颗粒底沙再悬浮使床沙同步粒径达到与上部水体流速相适应是具有宽粒径分布的细颗粒底沙形成大尺度底形沙波的前提,因而长江口区大尺度底形沙波不仅与中值粒径有关,而且与粒度累积百分含量为16%时的粒径直接相关.底形沙波的尺度和运动速率主要受枯洪季流域来沙及其粒径和涨落潮流速影响.     

波浪动力滑翔机母船与牵引机运动传递关系

为研究波浪动力滑翔机上端母船与水下牵引机的运动关系,将连接母船与牵引机的缆绳离散成多个微段进行分析,根据每个微段动力学分析结果列出动力平衡方程,得到母船与牵引机运动传递关系的方程组,然后用MATLAB编程求解.根据数值计算结果,发现波浪动力滑翔机在海面上自主航行时速度时刻在变化,但变化相对平稳,母船水平速度变化幅度相较牵引机要大,由于柔性缆绳的作用,波浪动力滑翔机的速度会随着海面波浪的变化而迅速改变;此外,较短的缆绳有利于波浪动力滑翔机的运动传递.