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.     

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.     

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ₂₂以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.     

混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性

将水下滑翔器和水下自航行器两者功能集合于一身,提出了一种新概念混合驱动水下滑翔器.采用计算流体力学方法对混合驱动水下滑翔器滑翔状态下机翼对滑翔经济性和稳定性的影响进行了数值模拟研究.正交试验表明,其滑翔经济性受机翼弦长影响最为显著;滑翔器的稳定性受机翼的后掠角影响最为显著;对4个具体模型在0°~20°攻角的进一步的数值模拟表明,机翼的位置主要影响滑翔稳定性,对滑翔经济性影响较小.滑翔器在6°左右攻角航行时,具有最大的升阻比.研究为混合驱动水下滑翔器的设计提供了理论指导和参考.     

HAG-UUV机翼挂载飞行状态流体特性仿真

利用数值仿真的方法研究了高空滑翔无人水下航行器(HAG-UUV)在机翼下挂载飞行状态的流体动力特性.在水平面和铅垂面内,分别分析了HAG-UUV受到的流体扰动.考虑机翼与HAG-UUV的耦合状况,运用Ansys CFX软件完成了数值仿真.研究了无人水下航行器浮心到机翼中线距离540~940mm、攻角-5°~20°及侧滑角-15°~15°等工况对挂载状态的影响,绘制了对HAG-UUV受到的流体作用力和力矩曲线.结果表明:UUV浮心到机翼中线距离小于760mm时壁面效应明显,HAG-UUV在竖直方向受到的流体作用力显著增加;攻角变化会极大改变UUV受到的流体作用,当侧滑角从-15°变化到15°时,UUV受到的流体作用并不关于0°侧滑角对称.当侧滑角为0°时,UUV仍受到流体侧向作用力和偏航力矩的干扰,产生这一现象的原因在于后掠型机翼使流场产生侧向诱导速度.     

基于修正的REMUS水下机器人模型的运动仿真

将Timothy Prestero提出的REMUS水下机器人的数学模型进行修正之后应用到某水下机器人上,结合某水下机器人的各水动力系数和参数进行运动仿真.原REMUS模型中的舵力(矩)和螺旋桨推力(矩)是通过相关艇体水动力系数来表征的,而修正的模型使用升力系数和阻力系数来得到舵力和力矩,使用插值的方法来得到螺旋桨的推力和力矩.基于此修正的REMUS模型,进行水平面直航运动、垂直面纯下潜运动、全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动以及定常螺旋下潜运动的仿真和分析,以验证将此修正的REMUS模型应用于某水下机器人上的可行性.     

采用干扰观测器的水下滑翔蛇形机器人纵倾运动控制

针对水下滑翔蛇形机器人在实现滑翔运动时存在控制输入受限和外界未知干扰的问题,提出了一种基于Nussbaum函数和非线性干扰观测器的反步控制策略。通过对欠驱动水下滑翔蛇形机器人的垂直面运动进行分析和有条件的简化,得到了对应运动学及动力学方程组。采用Nussbaum函数与双曲正切函数相结合的方式处理系统控制输入饱和,避免了双曲正切函数存在的控制器奇异值,通过非线性干扰观测器实现对外界复合扰动的有效观测并进行补偿。设计了纵倾运动跟踪的反步控制器,针对反步法中虚拟项引发的计算膨胀,采用动态面方法来消除。基于Lyapunov稳定性理论设计了控制器,保证系统能够实现速度与位置信号量的全局一致稳定性。研究结果表明:所提方案相对传统反步法,在响应时间与误差收敛速度方面都有一定程度提高,且非线性干扰观测器对于复合扰动量观测性能良好;所设计的控制器可以有效实现机器人在外界未知干扰下纵倾运动的稳定跟踪,且具有较强的鲁棒性。     

水下滑翔器设计参数与运动性能分析

水下滑翔器设计参数对其运动性能具有重要影响．通过对水下滑翔器稳定运动状态的分析,获得其设计参数与整体运动性能的关系,并得到参数的取值范围,用于指导水下滑翔器设计过程．为此,详细分析了水下滑翔器稳态运动时的攻角、运动方向、速度和设计参数之间的关系,并得到水下滑翔器设计参数需要满足的约束条件．通过分析水下滑翔器的运动性能,得到旋转重物的偏心量和浮力调节系统位置等参数的优化取值．最后,文章设计了水下滑翔器的物理样机,并进行了水域试验,验证了设计和分析的有效性