| 题名 | 深海运载器无动力下潜分析及其外形设计优化 |
| 作者 | 高伟 |
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 谷海涛 |
| 关键词 | 深海运载器 无动力下潜 外形设计优化 动力学建模 水池试验 |
| 学位名称 | 专业学位硕士 |
| 其他题名 | Research on Unpowered Diving Motion and Shape Design Optimization of Deep-sea Carrier |
| 学位专业 | 机械工程 |
| 英文摘要 | 深海运载器是一种具备着陆坐底和二次转场功能、可在海底长期工作的新型水下无人系统装备，具有体量大、工作深度大、任务样式多、运载和续航能力强等特点，可用作无人水下航行器（UUV）、水下滑翔机、无人机等任务载荷的水下运载平台和海底保障基站，在海底资源勘探、原位观测和未来海底作战中有着广阔的应用前景。由于垂向运动距离大，运载器采用无动力方式下潜着陆以节约能耗。然而，无动力下潜过程中，运载器受外形水动力及海洋环境作用会在水平面产生漂移，存在下潜轨迹预报不精确和海底着陆点不受控等局限性。 本文面向深海运载器任务需求，在分析深海装备无动力下潜运动一般规律的基础上，针对深海运载器总体外形设计、水动力布局优化、动力学建模、无动力下潜运动特性等问题开展相关研究，并设计了1:10原理样机进行水池试验，以验证动力学仿真结果的正确性，期望研究结果可为深海运载器总体方案设计和精准着陆提供参考。本文主要研究内容如下：（1）深海装备无动力下潜运动一般规律分析。以细长体探索1000 AUV为研究对象，考虑海流和浮力变化影响，基于探索1000 AUV空间运动方程，建立其稳态无动力下潜运动仿真方法。通过改变控制参数，获得了探索1000 AUV稳态无动力线性下潜和螺旋下潜过程中各状态量与净负浮力、重心位置、舵角及海洋环境之间的变化规律，为深海运载器总体外形方案和下潜方式选择提供了设计参考和理论依据。（2）舵翼外形设计。为获取高升力系数和升阻比的舵翼外形特征参数，以海翼水下滑翔机舵翼为研究对象，将其表征量简化为展弦比、梢根比、前缘后掠角、攻角和剖面翼型5个参数，通过计算流体动力学（CFD）和基于代理模型的优化方法（SBO），对舵翼平面形状和剖面翼型与舵翼性能之间的关系展开研究，并得到了优化后的舵翼特征参数。（3）艇体外形设计。从几何和水动力性能两方面对比分析了矩形流线型和流线型回转体外形的优缺点。考虑深海运载器功能要求，选择矩形流线型艇体外形方案并建立其参数化模型，采用最优拉丁方试验方法选取60个样本点拟合得到近似模型。以阻力系数最小和空间利用率最大为目标，对艇体外形进行初步优化，优化后艇体阻力系数降低了13.55%，空间利用率降低了7.38%。（4）基于序列近似优化方法的深海运载器总体外形优化。为了解决计算效率与代理模型精度之间的矛盾，将最大最小距离准则和最小化代理模型预测准则相结合提出一种多点加点准则，构建了改进序列近似优化方法的算法流程并应用到深海运载器总体外形优化问题中。相比初始方案，优化方案阻力系数降低了9.81%，空间利用率提高了0.28%，运载器在不减小艇体内部空间的条件下，水动力性能得到进一步提升。（5）深海运载器动力学建模及水动力系数估算。基于拉格朗日方程推导了深海运载器动力学模型，利用STAR-CCM+对运载器直航试验、斜航试验、悬臂水池试验和平面运动机构试验（PMM）进行数值模拟，获得了动力学模型中所涉及的水动力系数。最后对运载器水平面直航运动和回转运动进行动力学仿真，验证了动力学模型的有效性和准确性。（6）深海运载器螺旋下潜运动特性分析与试验。基于深海运载器动力学模型，分析了控制参数与运载器稳态螺旋下潜状态量之间的变化规律。并设计了1:10原理样机，通过水池试验对动力学仿真结果的正确性进行验证。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 122页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28981]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_海洋信息技术装备中心 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高伟. 深海运载器无动力下潜分析及其外形设计优化[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
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