王飞[1]2003年在《水下机器人在潜艇附近运动时的水动力计算》文中研究指明两个物体在流体中运动，当物体间距离很小时，相互之间存在着较强干扰力。这个问题的研究对于水下机器人搭载、动力定位及一些要求较高的运动控制方面，都有着重要的意义。 本文以势流理论为基础，根据水下两个物体运动的数学模型，给出了它们间相互作用力的公式。在此基础上，编制了相应的计算程序，并以球体在壁面附近时的运动进行了验证，然后，根据水下机器人靠近潜艇的方案，进行了数值计算，给出了较为满意的结果，并针对各种情况作了相应的分析。最后给出了水下机器人在潜艇附近运动时，各种运动状态下的仿真结果。在网格划分方面，对各种网格生成方法进行了比较分析，最终本文从实用的角度出发，采用Gambit来进行此项工作，并编制了相应的接口转换程序，使同类工作从繁重的网格划分工作中解脱出来。 本文的工作，对于水下机器人搭载的研究及其在海底、码头附近运动时的水动力预报有很大的实用性。
赵金鑫[2]2013年在《大挂载水下航行器操纵性能分析及双体干扰研究》文中研究说明随着海洋开发和研究的不断深入,作为海洋领域的特种作业平台,小型水下航行器将承担更多的水下任务。小型水下航行器在执行某些特定任务时,需携带大尺度挂载在海洋环境中进行机动航行,而其在水下长时间工作时,需要被水下空间站或水下搭载平台回收以补充能量和交换数据,在回收过程中将处于水下空间站或搭载平台复杂的扰流场中。在复杂的工作环境中,需要了解小型水下航行器携带特定挂载及其在扰流流场中的水动力性能和操纵性能以有效地控制自身的航行状态和保持自身的作业姿态。本文采用CFD数值方法、试验方法及计算机运动仿真方法研究了小型水下航行器携带和不带大尺度挂载两种情况下的水动力性能及操纵性能,数值计算了其靠近潜艇过程中的水动力干扰特性,主要研究内容如下:一、基于CFD技术,结合多块结构化网格及模块化网格技术,预报了携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器水动力性能,包括阻力性能、推力性能、艇桨干扰性能、艇翼干扰性能、操纵性水动力性能以及近水面水动力性能,部分水动力性能与试验结果进行了对比验证。二、在循环水槽和综合深水池,对携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器进行了操纵性试验,包括约束艇模试验和实艇试验。预报和评估了小型水下航行器的水动力性能及操纵性能,同时验证了 CFD数值计算方法和计算机运动仿真方法的适用性和准确性。叁、建立了小型水下航行器空间运动数学模型,分析了小型水下航行器所受到的水动力,结合水动力试验及数值计算结果,构建了小型水下航行器运动仿真系统。对携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器进行了操纵性运动仿真,比较分析了两种情况下小型水下航行器的机动性能,并与试验结果进行了对比验证。同时,根据水动力系数分析了小型水下航行器的运动稳定性。四、采用求解RANS方程方法数值模拟了潜艇周围绕流流场,在此基础上,假定了小型水下航行器若干回收位置。结合不匹配网格划分技术数值模拟了二维和叁维小型水下航行器靠近潜艇过程中的水动力干扰性能,分析了不同相对位置下小型水下航行器处于潜艇扰流流场中的水动力特性,使用动网格技术实现了小型水下航行器在给定路径下靠近潜艇过程中扰动水动力性能的数值预报。研究结果表明:小型水下航行器在携带和不带大尺度挂载两种情况下均具有较好的操纵性能;数值计算方法在预报小型水下航行器水动力性能方面具有一定的精度与可行性;计算机运动仿真方法可较准确地预报小型水下航行器操纵性能;数值计算方法较合理地解决了小型水下航行器与潜艇水动力干扰问题。研究结果可为小型水下航行器的运动控制提供理论分析依据,以便制定更有效的控制策略,实现更精确的运动控制。
许钧鑫[3]2016年在《水下航行器潜艇回收过程中的水动力性能分析》文中研究指明随着海洋领域的开发和研究,对复杂海况的探索工作变得更加重要,作为海洋领域的特种作业平台,水下航行器将面临巨大挑战,所需满足的需求越来越多并且十分迫切。其中AUV的发展迅速,未来的AUV将承载更多的水下任务。AUV在水下满足具体任务需求的同时,往往还需要与潜艇形成良好的互动,如:能量补充,数据交换等工作,此外在回收过程中,AUV位于复杂流场之中,受到的水动力干扰比较大。在这种复杂的工作环境中,需要对AUV以及潜艇在这种扰流流场中的水动力性能以及操纵性能进行准确的计算,从而更好的对回收的路径进行规划,因此如何快速准确的计算这种复杂流场中的水动力性能显得尤为重要。本文采用计算流体力学方法,研究了全附体SUBOFF潜艇模型复杂伴流场的水动力性能,并进一步数值计算了潜艇背负式回收AUV过程中的水动力干扰,主要研究方法如下:首先,基于CFD技术,运用STARCCM+软件预报了无界流场中回转椭球体,不同来流速度下的阻力值,通过与试验值进行对比,证实了采用切割体网格,SSTk-ω湍流模型可以准确地计算回转椭球体的阻力值,进一步对SUBOFF全附体艇体模型,复杂伴流场中的水动力性能进行计算,并与试验值进行了对比。其次,建立了 SUBOFF潜艇坞舱式回收装置回收AUV的模型,采用重迭网格方法,进行了 AUV直线运动靠近回收装置时的数值计算,研究了两种直线运动方式(匀速直线运动、匀减速直线运动)时,AUV与艇体之间干扰问题,并进行了对比,证实了 AUV匀速直线运动回收时,所受到的力更为复杂,不利于回收,AUV匀减速直线运动时所受到的力较为平缓,更加便于回收工作的进行。最后,进一步建立了潜艇开架式回收装置回收AUV的模型,假定了 AUV两条回收时的运动路径。基于STARCCM+软件中的重迭网格技术,数值计算了 AUV在给定曲线路径下,靠近SUBOFF潜艇过程中的水动力干扰性能,并研究了 SUBOFF对AUV周围流场的影响,通过对比得出,AUV沿着正弦曲线路径运动进行回收所受到的干扰更小,可以提高回收工作的成功率。
闫岱峻[4]2012年在《微小型水下航行器在非均匀流场中的运动性能分析》文中认为微小型水下航行器作为一种智能化的无人水下装备，由于本身具有体积小、阻力低、机动灵活性好等特点，使得其在海洋资源的深入开发利用和水下军事环境探测方面引起了国内外的广泛关注。微小型水下航行器在工作时，其自身的推进系统和操纵系统存在一定的局限性，往往会受到不规则海浪、海流、旋涡的影响。如何在复杂的海洋环境中有效地保持自身的航行姿态就成了微小型水下航行器必须面对的问题。对微小型水下航行器在非均匀流场中的运动性能进行研究是解决以上问题的基础。本文基于CFD技术计算分析了微小型水下航行器在非均匀流场中的运动性能，以及相关的一些流动干扰现象，主要内容包括：（1）基于CFD技术对不同载体形式的微小型水下航行器在均匀流场中的航行性能进行数值模拟，讨论了湍流模型对的计算结果的影响。采用动网格技术模拟非定常运动，计算了微小型水下航行器进行六自由度运动时的水动力性能。进一步针对扁平体模型计算其在线性、抛物线型分布的非均匀流场中的定常、非定常水动力性能，讨论了航行状态和来流非均匀度对其水动力性能的影响。（2）在哈尔滨工程大学水下机器人技术国防科技重点实验室大型实验水池中采用潜水泵局部射流、池内循环的方式形成了叁维复杂喷流流场，采用多普勒流速仪对复杂流场多个位置进行了叁维流速标定，比较了不同潜水泵频率、喷管数量形成的复杂流场叁维速度分布情况。采用叁分力天平测量了扁平体模型在复杂流场中不同位置、不同漂角时的阻力、横向力和转艏力矩，分析了扁平体模型在复杂流场中的水动力性能。（3）分别对不同雷诺数下方柱的流体动力性能进行数值模拟，进而通过在方柱上游布置平板作为干扰体来对方柱的绕流场进行控制。探讨了不同的平板布置位置和平板尺度对方柱的受力特性及绕流场的干扰效果。计算结果表明在方柱上游布置平板可有效的降低作用在方柱上的周期性交变力。
王天[5]2013年在《新型碟形水下机器人及其航姿预测控制系统研究》文中认为近些年来随着地上资源的逐渐短缺,占据地球表面积71%的海洋空间成为了各国家关注的焦点。水下机器人作为一种涉及多个学科技术的科研成果对于海洋开发以及巩固海疆有着不可或缺的作用。在复杂的海洋环境当中,水下机器人如何进行自主、稳定及高效的运行已经成为行业关注的重点。水下机器人的结构和控制方法则是保障和提高水下机器人应用的核心技术。研究水下机器人的结构及控制方法将对加速水下机器人的实用化、工程化进程起着不可估量的作用。水下机器人是一种多输入多输出、强非线性、时变、大惯性系统。广义预测控制算法已经在工业领域广泛应用,但是将其应用到该系统中需要有一个良好的预测模型为前提。本文提出了一种新型的水下机器人,并将该机器人作为研究对象,对广义预测控制算法在其航姿控制上的应用做了相应的研究工作。首先在介绍和分析机器人的结构及运行模式的基础上进行机理建模获得了该机器人的水动力方程。通过FLUENT水动力仿真软件对机器人进行仿真。在水下机器人的水动力性能的方面,考虑到水下机器人上的进水孔结构可能带来的水动力影响,通过相关理论上对开孔结构进行定性分析,排除了该问题的影响。采用RNG k-ε湍流模型,用数值手段模拟了椭球体及碟形体斜航性能。同时,采用动网格技术数值计算了椭球体及碟形体的PMM试验运动,得到水下机器人的几个主要的水动力系数。通过椭球体水动力系数与势流理论面元法结果的比较,验证了数值计算的可行性与准确性,对比验证该新型水下机器人具有良好的灵活性、稳定性及水动力性能强的特点。在以上研究的基础上对机器人的水动力外形进行了优化。通过进行机器人水动力运动仿真实验获得的水下机器人的水动力参数,结合水动力方程进行了相应的线性化简化,得到了最终的水下机器人水动力方程。在简要分析了支持向量的原理和利用支持向量机辨识系统模型的可行性后,本文针对水下机器人强非线性、模型参数复杂且不易于得到的状况,提出了基于支持向量机回归理论,通过多输入多输出辨识碟形水下机器人系统控制模型的方法,而后对支持向量机参数的寻优方案作出了分析和比较。针对保证精度并控制计算量和驻点问题,提出了采用多窗口网格寻优得到支持向量机最优参数的方法。为了使系统能够实时适应复杂多变的工作环境,采用在线辨识不断修正系统的预测模型。引用Logistic人口模型来对旧数据表进行加权剔除,并将新数据映射到高维空间判断其与原有系统的线性相关性来进行筛选有效数据,以此实现对模型修正。通过该方法解决了支持向量机在线应用中遇到的稀疏性差以及大量数据重新辨识的计算问题。而后分别对在线辨识和离线辨识的效果还有辨识误差大小和控制情况的优劣进行了比较,验证了该在线辨识方法获得的模型的预测能力。为了解决水下机器人大惯性的滞后问题,提出了碟形水下机器人的广义预测控制算法。考虑到碟形水下机器人是一个多输入多输出的非线性系统,需要简化模型辨识问题和避免模型预测中的大量矩阵运算,由于支持向量机辨识得到的系统仍然是一个具有支持向量机结构的非线性系统,为了便于系统控制,利用多元函数泰勒展开将基于支持向量机的非线性系统瞬时线性化,得到系统的差分方程。从而提出了针对该碟形水下机器人的在线自适应多输入多输出广义预测控制算法。文章对支持向量机广义预测控制分别建立航向、横摇和纵摇的叁个输出控制模型。利用水下机器人技术国家重点实验室的水下机器人试验水池进行了定航向、定横摇角以及俯仰S型机动实验,测试了该机器人的机动性能。并且与神经网络系统和水动力仿真建立的模型所得到的控制效果分别进行比较,对比了叁种控制方法在碟形水下机器人的控制效果,验证了本文提出的的自适应航姿控制算法在该非线性系统上的良好控制效果。
王智学[6]2006年在《AUV回收时的运动控制方法研究》文中研究表明随着对自治式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle)的研究不断深入，人们开始探究机器人有效的回收方法，深水回收有诸多优点而引起广泛关注。由于深水回收过程的特殊性，AUV在靠近壁面运动时与无界流场条件下相比，壁面间的相互影响所引起的水动力干扰会使水动力性能发生复杂的变化。除回收过程外，AUV在平壁面附近运动的其它种种情况，都不可回避地需要解决水动力干扰问题。 对水动力干扰问题的研究，现已有很多理论和数值计算方法。本文所依据的是水动力干扰试验，试验在AUV具有不同的前向速度、与平壁面之间不同距离和不同俯仰角的情况下进行。水动力干扰主要表现为纵向力、垂向力和俯仰力矩与无界流场相比有较大改(?)，其它水动力分量未在文中讨论。 由于AUV在壁面附近运动与在无界流场中时的水动力性能完全不同，本文在比较水动力干扰的作用效果的基础上，建立了AUV运动数学模型，并按回收要求设计了五自由度的控制系统。通过系统仿真，分析了AUV在靠近边界面时的水动力性能随与边界面距离和攻角变化的规律，并验证了控制系统的可靠性。
高霓[7]2013年在《微小型水下潜器近自由液面操纵性预报》文中进行了进一步梳理微小型水下潜器具有航行体积小、阻力低、隐身性能好、机动灵活等特点，在海洋开发中占有重要的地位。当其从水面搭载平台布放和回收、航行一段时间后上浮进行导航定位时，将处于近自由液面航行状态。此时扰流环境远比无界绕流要复杂，而微小型水下潜器本身艇体较小，推进能力有限，极易受到自由液面的扰动。操纵性是水下潜器的重要性能，研究微小型水下潜器近自由液面的操纵性有着重要的意义。本文基于CFD技术分别研究了微小型水下潜器在无界绕流和近自由液面的水动力性能，计算不同潜深下的水动力系数，并进行了近自由液面的操纵性水动力实验。通过运动预报观察其运动特性，论文主要完成了以下工作：1.采用分区域网格划分方法，利用混合网格计算了椭球体和微小型水下潜器在无界绕流中的水动力性能，模拟其直航、斜航和六个自由度的运动，求得其部分水动力系数，并和面元法及实验结果进行对比。2.分别计算了在1.5倍、2.5倍、3.5倍潜体最大直径叁种潜深下特征长度相同的椭球体、微小型水下潜器和流线型潜体直航的水动力。讨论了随潜深减小阻力、垂向力和纵倾力距的改变，观察流场发生的变化，分析阻力增加的原因，并模拟了自由液面的兴波，计算兴波范围和波高随潜深及航速的变化。讨论了附体对微小型水下潜器近自由液面航行的水动力和兴波产生的影响。计算微小型水下潜器在不同潜深垂直面斜航和水平面斜航的水动力特性，观察潜深对垂直面斜航带来的影响。3.模拟了微小型水下潜器在近自由液面时升沉、俯仰、横荡、横摇运动，计算其运动产生的力和力矩随潜深的改变，观察不同潜深的水动力系数变化，并同无界绕流的结果相对比，寻找其变化规律。分析了流场中动压力、速度和兴波随运动频率、航速、潜深的变化。4.利用平面运动机构进行了微小型水下潜器的近水面操纵性相关实验。利用六分力天平测量了其不同深度不同航速下直航的阻力、升力和纵倾力距。测量了不同潜深下水平面斜航的侧向力和偏航力矩。同时使微小型水下潜器在不同潜深下做升沉、俯仰运动，测得其垂直面运动的水动力系数，发现变化规律，并和计算结果进行对比分析。5.进行近自由液面运动预报，观察近自由液面水动力系数的改变对垂直面运动产生的影响，讨论了其直航速度的改变、操舵后产生的纵倾角和垂向速度的变化；微小型水下潜器在近自由液面出现埋艏下潜的现象，并且操舵响应变慢，恢复力矩变小。
曹庆明[8]2006年在《鱼类胸鳍推进的水动力分析与运动仿真建模》文中指出目前水下仿生技术研究集中于尾鳍／鱼体推进，但在低速情况下，很多鱼类是利用胸鳍实现良好的动力定位和机动。由于胸鳍推进机理还不是很清楚，国内外很少有人涉足这一领域。 本文根据Azuma对鸟翼运动的分解方法，将胸鳍的复杂运动分解为四种基本运动：前后摆动、拍翼、摇翼、展向伸缩。由于本文考虑的是刚性胸鳍，忽略展向伸缩。本文在势流理论的基础上，从面源法出发，根据偶极子分布与漩涡分布的等效性，发展得到非定常涡(栅)格法的理论公式，计算刚性胸鳍作二自由度、叁自由度的水动力系数，并分析了影响水动力性能的因素。同时用Hess-Smith方法计算了左右胸鳍的附加质量。 在哈尔滨工程大学仿生水下机器人“仿生-Ⅰ”号的基础上建立了基于胸鳍推进的水下机器人运动仿真模型，根据水下机器人六自由度空间运动方程，计算分析了水下机器人直航与原地回转时的位置和航速。 本文通过非定常涡格法计算的水动力系数，还需要进一步通过实验来验证，尾涡模型还需完善，从N-S方程出发计算水动力系数，这几点希望在未来的工作中完成。
段斐[9]2012年在《微小型水下机器人运动仿真研究》文中提出微小型水下机器人具有体积小、阻力低、机动灵活、成本低、可批量生产、搭载方便的特点，它非常适合发展成为一种无人化、智能化的水下装备。而一个准确的数学仿真模型是微小水下机器人系统研究中的基础与前提，稳定可靠的控制系统也是微小水下机器人完成预期任务和水下作业的前提与保证。论文以某水下机器人为研究对象，将MIT的硕士生Timothy Prestero提出的基于REMUS水下机器人的仿真数学模型的舵力（矩）和螺旋桨推力（矩）的计算方法进行了修正，得到了修正的REMUS仿真模型。然后将此修正的REMUS模型运用到某水下机器人上，使用该水下机器人的各参数及数据，基于垂直面纯下潜运动、水平面全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动和空间定常螺旋下潜等五种机器人的典型运动，对机器人进行了仿真分析。此外，本文将修正的REMUS模型和“MAUV-Ⅱ”模型进行对比，分析两者的相同之处和不同之处，对非线性运动方程和水动力（矩）的区别进行了详细说明。并基于五种典型的运动（垂直面纯下潜运动、水平面全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动和空间定常螺旋下潜运动）来对比分析两个数学模型的仿真结果，力求建立更精确和符合某水下机器人实际运动情况的仿真模型。最后，针对某水下机器人进行了相应的操纵性试验，包括包括全回转运动、垂直面纯下潜和垂直面梯形运动的操纵性试验，利用各个航速，各个舵角的试验结果与仿真结果进行比较，分析机器人在各种条件下的运动规律及验证基于两种模型的仿真结果的准确性。
谈果戈[10]2017年在《双尾半潜无人艇近自由液面操纵性研究》文中研究指明水下航行器因为具有良好的操纵性、隐身性及可靠性而被广泛用于民品、商用和军品等领域。水下航行器在绝大多数工作状态下都处于深水区域,而在某些特定情况比如从水面平台布放和回收、上潜到自由液面进行GPS定位等,会在自由液面附近航行,这时由于自由液面的作用,潜体所受到的水动力与其在深水航行时是不同的。因此,有必要对其近自由液面的水动力性能进行研究。而操纵性是水下航行器的一个重要的性能,所以研究水下航行器近自由液面的操纵性也是十分必要的。本文基于一新型双尾半潜无人艇,利用基于有限体积法的CFD软件STAR-CCM+对其近自由液面的操纵性能进行研究。本文主要进行了以下工作:首先,回转体是形式最为简单的潜体模型,任何大型化常规潜体的设计研发初期均与回转体的研究是密不可分的。因此,本文利用回转体模型,分别模拟了其在近自由液面的包括直航、斜航在内的六自由度运动,将计算所得结果与文献中的数据进行对比,验证CFD计算的可靠性,并初步研究了水下航行器在近自由液面运动时与自由液面之间的相互作用机理,为计算双尾半潜无人艇近自由液面的操纵性能打下基础。之后,对双尾半潜无人艇进行模拟计算,分别计算了其在航速为4节、5节、6节,吃水为600mm、800mm和1000mm下的直航运动和漂角分别为2°、4°、6°的水平面内的斜航运动,获得其在不同运动状态下受到的力和力矩,并根据计算结果分析半潜艇受到的力和力矩随航速、吃水以及漂角的变化规律。最后,对该双尾半潜无人艇近自由液面的六自由度运动进行模拟计算。模拟了半潜艇在设计航速4节,吃水分别为600mm、800mm和1000mm,运动频率分别为0.4Hz和0.5Hz下的纯横荡、纯艏摇、纯升沉、纯俯仰运动,分析了半潜艇在纯横荡、纯艏摇运动中受到的侧向力和偏航力矩以及在纯升沉、纯俯仰运动中受到的垂向力和纵倾力矩随吃水和频率变化的规律,计算了与速度和加速度相关的水动力导数。并模拟了半潜艇的回转运动,通过对双尾施加两个不同大小的力来研究双尾半潜无人艇的回转运动响应。
参考文献：
[1]. 水下机器人在潜艇附近运动时的水动力计算[D]. 王飞. 哈尔滨工程大学. 2003
[2]. 大挂载水下航行器操纵性能分析及双体干扰研究[D]. 赵金鑫. 哈尔滨工程大学. 2013
[3]. 水下航行器潜艇回收过程中的水动力性能分析[D]. 许钧鑫. 哈尔滨工程大学. 2016
[4]. 微小型水下航行器在非均匀流场中的运动性能分析[D]. 闫岱峻. 哈尔滨工程大学. 2012
[5]. 新型碟形水下机器人及其航姿预测控制系统研究[D]. 王天. 哈尔滨工程大学. 2013
[6]. AUV回收时的运动控制方法研究[D]. 王智学. 哈尔滨工程大学. 2006
[7]. 微小型水下潜器近自由液面操纵性预报[D]. 高霓. 哈尔滨工程大学. 2013
[8]. 鱼类胸鳍推进的水动力分析与运动仿真建模[D]. 曹庆明. 哈尔滨工程大学. 2006
[9]. 微小型水下机器人运动仿真研究[D]. 段斐. 哈尔滨工程大学. 2012
[10]. 双尾半潜无人艇近自由液面操纵性研究[D]. 谈果戈. 哈尔滨工程大学. 2017