回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

空中和水下爆炸时钢筋混凝土板动态响应对比分析

 利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土板在不同介质中（空中和水下）爆炸的数值模型,在对比分析爆炸冲击波在空中和水下传播特性的基础上,研究了空中和水下爆炸冲击波对钢筋混凝土板动态响应及损伤程度的影响,并对比分析了不同炸药量及起爆距离对钢筋混凝土板在空中和水下爆炸时动态响应的影响规律。研究表明,在近爆区域内,爆炸冲击波在空中和水下的传播特性存在较大的差异：在空中的传播速度较水下快,并且冲击波压力在空中衰减较水下快;但水下爆炸冲击波压力峰值较空中爆炸大很多,对钢筋混凝土板的潜在破坏能力较强。两种介质中爆炸时钢筋混凝土板的破坏形态对比分析,发现无论是迎爆面还是背爆面,同等炸药量及起爆距离下水下爆炸时混凝土板损伤程度均较空中爆炸时大。     

水下爆炸近场载荷的试验与数值模拟

借助于小药量水下爆炸试验及数值模拟研究了水下爆炸近场载荷及其运动特性。试验在爆炸水箱中进行,采用同时分幅扫描超高速光电系统拍摄炸药爆炸后视场600 mm×600 mm以内的冲击波及爆轰产物演化过程。使用LS-DYNA软件的ALE方法计算了水下爆炸近场冲击波、爆轰产物气体运动特性,以及冲击波峰值压力和爆轰产物气体与水介质边界压力变化特性,数值模拟结果与试验结果有很好的近似。在试验和数值模拟基础上,提出了适用于水下爆炸近场的冲击波运动、峰值压力的变化规律,并建立了爆轰产物气体初期膨胀运动规律及压力变化。     

舰艇抗冲瓦整体冲击隔离新概念及其机理研究

基于声阻抗失配原理,提出了舰艇抗冲瓦对水下爆炸冲击的整体隔离新概念.采用波动理论和Taylor平板模型.以冲击波在水、覆盖层、空气层、船体钢中的传播过程为研究对象,建立了实心敷设层结构(消声瓦的简化模型)和带空腔敷设层结构(抗冲瓦)的流固耦合模型.利用Abaqus软件建立舰艇抗冲瓦三维冲击响应模型.算例结果表明,抗冲瓦能够很好地隔离水下爆炸冲击波.大大降低船体结构材料应力和加速度冲击响应峰值,并能在广泛的频域内显著降低舰艇冲击响应.     

水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展

 随着水下作业要求的增加以及软体机器人技术的发展,水下软体机器人的研究成为水下机器人的一个前沿方向。用人工肌肉实现驱动控制并能实现仿生运动的水下软体机器人成为相关领域的研究热点。本文介绍现有水下软体机器人中7类人工肌肉驱动方式,再根据水下软体机器人推进形式,按5种仿生运动形式介绍了现有的水下软体机器人,最后展望了水下软体机器人未来在水下勘探的应用前景。     

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.     

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析.研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律.研究表明:在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;...     

水下系泊浮筒结构设计方法研究

以一种水下系泊浮筒结构为对象,对其设计方法展开研究．采用标准}￡紊流模型计算不同拓扑结构的浮筒管段截面的绕流阻力系数,应用Morison方程和波浪理论计算波流作用下浮筒结构的流体力,利用梁弯曲理论计算浮筒调整装置系泊位置,基于非线性有限元理论分析连接结构强度．在此基础上,研究系泊浮筒管段截面形状、浮筒结构刚度和浮筒连接结构强度等参数的设计方法,试图探索水下系泊浮筒结构设计理论与方法．通过设计实践,验证了水下系泊浮筒结构设计理论与方法的有效性．     

水下机器人定高运动的最优预测控制

本文运用最优控制理论,提出了一种关于水下机器人定高运动控制的新方法——最优预测控制法,并以水下机器人RIGWORK为例,在计算机上进行了数字仿真。     

滚-跳多运动模式球形机器人的动力学仿真研究

复杂的探索环境对探测机器人的通行能力提出了更高要求,具有多种运动模式的球形机器人是探测机器人领域的研究热点之一。通过对球形机器人内部构件质量分布的调节,设计了一种基于单摆驱动式的滚-跳多运动模式球形机器人,其具有滚动、转向、爬坡与跳跃4种基本运动能力;随后,又根据球形机器人的设计方案建立了球形机器人4种基本运动动力学方程。利用Automatic Dynamics Analysis of Mechanical Systems （ADAMS）软件构建该球形机器人虚拟样机并对其进行了滚动、转向、爬坡与跳跃的动力学仿真,最后以此为依据计算滚动、转向、爬坡与跳跃运动性能的仿真值,并制作实验室样机验证了动力学仿真的正确性。     

水下自重构机器人Kane动力学建模方法

针对水下自重构机器人构形多变且外部环境复杂等特点,提出了一种通用的、基于构形描述及Kane动力学的建模方法.利用图论中关于拓扑结构的描述方法,建立水下自重构机器人多种拓扑构形的统一数学表达,再结合Kane方法,在模型中加入水下各种外部环境作用力,最终建立封闭的水下自重构机器人运动方程.通过典型构形的建模实例,证明了该方法的可应用性和有效性.
     

基于4核DSP的水下机器人视觉传感器设计

鉴于水下机器人的传统声学传感器易受海洋噪声的影响,提出了一种光学视觉的水下机器人传感方案.并采用4核DSP并行处理的架构方式解决了大量图像数据实时处理的难题.文中给出了相应的硬件构成与有关的实验数据,实验结果表明,该硬件平台能够满足水下机器人视觉系统的要求.     

随机横浪中船舶倾覆概率的时域分析方法

为了研究随机海浪中船舶航行安全域的构造及生存概率的预报方法，考虑阻尼和复原力矩的非线性及海浪的随机性，建立随机横浪中船舶运动的随机非线性微分方程．综合考虑船舶运动的瞬时状态和窄带海浪谱，采用简谐加速度方法在时域内求解横摇随机微分方程，进行随机倾覆过程的数值模拟，构造船舶航行的安全域，计算船舶安全航行的生存概率．选取不同的初始蒂件及随机波浪参数，在横摇初值平面上构造了一手长30．27m渔船航行的安全域，预报了不同有义渡高作用下渔船安全航行的生存概率．采用本文方法，可以从数量上预报船舶在随机海浪中的生存概率．     

基于变分模式分解和微积分增强能量算子的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障振动信号的特点,考虑变分模式分解在复杂信号分解及微积分增强能量算子在瞬态成分检测方面的优势,提出基于变分模式分解和微积分增强能量算子的滚动轴承故障诊断方法。首先利用变分模式分解将复杂信号分解为多个本质模式函数,以削弱背景噪声的影响和满足能量算子对信号单分量的要求;然后根据提出的敏感分量选取原则,从本质模式函数中选出包含主要故障信息的本质模式函数为敏感分量;最后利用微积分增强能量算子强化敏感分量中的瞬态冲击,并根据敏感分量瞬时能量的时域波形及Fourier频谱诊断滚动轴承故障。分析结果表明该方法能够有效诊断滚动轴承故障。     

双组分炸药装药水下爆炸的冲击波峰压场研究

针对目前水下武器战斗部为单一组分装药模式,提出高低能量不同的双组分炸药装药模式. 从理论研究、实验分析和数值模拟3个方面对双组分炸药装药在水下后端面起爆的爆炸威力场规律进行了分析研究. 结果表明,双组分炸药装药的近场冲击波超压略有增加,在中场范围冲击波超压分布变化不大,可为水下双组分装药战斗部威力场设计提供参考.     

水下机器人关键区域定位系统的设计与实现

针对水下机器人定位中的淤泥、水流对定位过程的干扰问题,设计并实现了一种引入机器学习的水下机器人高精度定位系统,系统通过信号发射板产生需要的调制信号,利用数据采集模块实现接收处理功能,定位模块作为所提系统的核心模块,通过引入机器学习的思想,实现了水下机器人高精度定位系统的硬件和软件设计,实现定位功能。实验结果表明,所提系统在不同水深环境下,能较好完成水下复杂环境的机器人定位,具有很高的实用性及可靠性。     

新型水下自重构机器人水下机电对接技术

研究了一种应用于水下自重构机器人的新型水下湿式机电对接技术.采用多卡爪机械锁紧机构和充油密封方式,实现了水下可靠的机械与电气连接;利用机器人逆运动学方法实现关节的协调控制,进行对接过程末端模块的轨迹规划;利用对光电引导传感器组信号的优化来辅助水下对接;成功研制了该水下连接装置和基于该装置的水下自重构机器人样机.通过在样机上的实际应用,验证了该技术的有效性.     

水中弹药变结构垂直导引律及其仿真

以水中弹药对水面目标进行高效攻击为背景,提出了一种水中弹药垂直攻击目标的变结构导引方法,通过假设忽略目标的横滚与纵向的机动,假设目标在水平面内作匀速直线运动,同时假设弹体无横滚,建立了水中弹药运动学模型方程、动力学模型方程及变结构垂直导引与控制. 应用Matlab/Simulink软件搭建了数学仿真系统并对水中灵巧弹药变结构垂直导引进行了闭环系统仿真研究,结果表明,所提出的水中弹药变结构垂直导引攻击目标的设计方法能够适应垂直攻击目标的设计要求,与预期的指标要求吻合良好.     

一种空间正交四边形滚动机器人

为使机器人仅利用较少的自由度就可实现移动及转向,提出了一种具有空间正交四边形几何形态的新型滚动机器人.该机器人本体是一个14杆16副的空间连杆机构,由2个平台和4条支链构成,外观形态为一对空间正交的四边形.并基于其自由度与运动原理,分析了该机器人的稳定性和滚动方向,进行了运动仿真.制作了一台原理样机进行实验以验证概念的可行性.实验结果表明,该机器人能够在2个驱动器控制下以翻滚步态实现全方位移动.     

驻留航行器沉底稳定性的数值分析

采用计算流体力学方法和ICEM CFD软件对不同沉底姿态时的驻留航行器模型进行结构化网格划分，利用CFX软件对其在不同海底来流速度下的流场进行数值模拟与分析，建立了分析驻留航行器沉底稳定性的数学模型，并结合仿真结果分析了海底来流速度和沉底姿态对驻留航行器沉底稳定性的影响.结果表明：在0.514 m/s的海底来流速度下，驻留航行器能够保持沉底的稳定性；在1.028 m/s及以上的海底来流速度下，驻留航行器不能够保持沉底的稳定性.