深水滑翔机器人耐压壳体结构优化设计

针对深水滑翔机器人耐压壳体在深水中压缩变形和海水密度随水深增大而变化等因素造成驱动浮力变化问题,利用压缩变形和密度变化对驱动浮力影响的互补特性,归纳了载体耐压壳体结构优化设计方法.保证耐压壳体抗压条件和质量最小前提下采用结构优化设计方法,降低耐压壳体压缩变形和海水密度变化对驱动浮力的影响,提高系统能源的利用率.     

水下滑翔器耐压壳体的设计与优化

采用特征值屈曲分析方法对水下滑翔器耐压壳体的结构参数进行了分析,计算了结构参数在不同取值情况下壳体的临界失稳压力,在分析比较计算结果的基础上,确定了耐压壳结构参数的最优数值。计算结果表明,优化设计得到的壳体即能满足抗压稳定性和机械强度要求,又最大限度地减轻了壳体的重量,与最初的设计方案相比,壳体重量减轻了1.51 kg,同时也使壳体内部空间得到了加大,其中中间段内部空间直径扩大了8 mm。     

扁平型水下滑翔器水动力特性及滑翔性能研究

续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标。采用单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标，以一新型扁平型水下滑翔器为研究对象，利用 CFD 计算结合模型试验验证的方法获取了所需的流体动力系数，然后进行了滑翔运动分析及垂直面滑翔运动仿真计算，得到了最优滑翔运动参数。 建立的滑翔性能计算方法对扁平型水下滑翔器水动力性能设计及滑翔运动参数优化有着重要的应用价值。     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。     

大深度救生钟耐压结构的优化设计

针对某型救生钟的救生舱耐压壳体,推导出典型水下耐压结构的计算公式,建立结构优化数学模型,并编制计算程序以求解结构最优尺寸,在此基础上确定耐压结构的设计尺寸.对设计结果采用有限元计算和规范计算比对分析,结果证明采用程序计算设计的优化尺寸满足工程要求.本文提供的计算方法可为水下环肋耐压壳体结构工程设计提供参考.     

温差能驱动的水下滑翔器设计与实验研究

论文设计开发了一种新型的温差能驱动的水下滑翔器,并对它做了水域实验研究。文章讨论了温差能驱动的滑翔器运动机理及其在垂直剖面的运动分析,得到稳态运动的参数解。结合能够把水域温差能转变为机械能的热机设计以及滑翔器的主要机械结构和控制硬件系统设计,完成了滑翔器的初步设计与开发。滑翔器在千岛湖进行了水域实验,实验结果表明,此水下滑翔器完全能够利用温差能实现预定的滑翔运动。     

水下滑翔器的运动建模与分析

介绍了水下滑翔器的工作机理，对其沉浮阶段的滑翔过程进行了动力学分析，推导了滑翔器在垂直剖面上的动力学方程。论文深入分析了水下滑翔器稳态时的运动规律，以水下滑翔器试验模型为例，推导了其稳态运动参数，通过线性化与适当的简化，得到模型在垂直剖面上的运动状态方程，讨论了系统的可控性与可观测性，为水下滑翔器系统的开发设计和控制提供了理论依据，具有重要的指导意义。     

水下滑翔器运动控制与自主导航策略

水下滑翔器嵌入式控制系统采用Philips公司的LPC2478为主控芯片,搭载多路高精度传感器以及伺服执行系统。通过对水下滑翔器的结构分析,构建出水下滑翔器的动力学模型,采用神经网络PID控制算法调节动力学模型中的俯仰角和横滚角,实现水下滑翔器在水下运行时的姿态调节与航迹控制。引入高斯大地线算法,分析处理经纬度坐标与航向角数据,计算得到水下滑翔器的航行距离与航向角偏差数据,从而控制伺服系统实现导航控制。同时,鉴于水面环境与水下环境的差异,为提高水下滑翔器的导航精度,引入水下航位推算算法,推算出水下滑翔器在水下的航向与姿态角,提高其在水下运行的精确度。     

设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化

常规耐压结构拓扑优化设计研究主要集中于静水压条件下的设计相关载荷拓扑优化理论及方法。但是,在深海环境下,耐压结构可能面临内爆所产生的冲击载荷,其载荷呈现高频率的周期性变化。为研究载荷变化对耐压结构优化设计的影响,在BILE模型的基础上,结合修正的SIMP插值模型,开展不同频率、设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化理论及方法研究。设计相关动载荷的难点在于不仅载荷的作用位置和方向在优化过程中发生变化,且其大小也随优化过程进行而发生变化,这是与常规设计相关静载荷本质的不同。通过经典的拱形结构优化算例验证BILE模型在动力学拓扑优化中的可行性,进而研究设计相关动载荷作用下的水下耐压结构的最佳拓扑形式。研究表明,在低频时,圆环型耐压结构无明显变化,但多球交接耐压结构在交接处会出现明显材料聚集;高频时,两者均发生明显变化,得到耐压结构新形式。关于设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化研究,将对新型水下耐压结构的探索具有一定的工程应用价值。     

球柱壳耐压舱体极限承载力研究

耐压舱设计是水下机器人的核心技术之一,其极限承载力研究是核心中的核心。针对球壳封盖加柱形壳体耐压舱,现行标准对于初始导入缺陷数值的确定往往过于保守,对于耐压舱体数量较多的无人潜水器来说,过大的设计质量是总体设计所无法接受的。首先采用装配体整体建模策略,建立复合屈曲的受力模型,将三大非线性影响因素同时引入到极限承载力研究中,提升了计算精度。然后分别针对确定性缺陷和非确定性缺陷结构开展极限承载力研究。最后,提出以0.23%的初始缺陷导入尺度作为球壳封盖加圆柱壳体的耐压壳体缺陷导入参数,给出了导入尺度的计算方法,并借助水压试验对上述参数的准确性进行验证。     

基于正交试验的水下航行器凸体涡流噪声优化

凸体作为水下航行器表面的一种常见附体结构,其产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有非常重要的影响。在马赫数为0.004 8条件下,采用LES-Lighthill等效声源法对三维方形凸体的流场及声场进行仿真,形象地再现了凸体周围涡旋运动变化规律,分析了涡流流动机制及辐射噪声特征。通过正交试验设计,以噪声最小为目标,优化了三维方形凸体结构参数。研究成果为水下航行器附体结构的设计提供了依据。     

水下机器人耐压舱优化设计与结构分析

水下机器人的耐压舱设计要求在满足总体指标的前提下,最大限度地提高设计强度与稳定性,同时尽可能降低质量。本文使用ANSYS Workbench中的Design Explorer模块,对耐压舱进行快速优化设计,一次获得多个优化候选结果,经过对比分析得到最优设计方案。然后,针对装配形式进行接触分析,确保大压力条件下结构不会在接触面发生失效破坏。最后,对舱体结构进行稳定性分析,确保结构能够在大深度环境中不发生失稳破坏。本研究为水下机器人耐压舱体快速优化设计、强度和稳定性校核提供了参考。     

新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究

采用标准k-ε两方程涡粘性模型,压力的隐式算子分割算法(PISO)求解时均Reynolds方程(RANS),对三种新型无尾翼水下滑翔器的升阻比性能进行研究。先对滑翔器摩擦阻力的CFD模拟结果与理论计算结果进行对比分析,验证CFD模拟结果的合理性与可靠性;再对不同迎流速度、不同速度攻角下的试验工况进行数值模拟,分析不同试验工况下滑翔器的粘压阻力与升力,得到不同试验工况下滑翔器的升阻比性能。研究结果表明,新型无尾翼水下滑翔器在5°~15°攻角区间内具有良好的升阻比,小攻角下圆碟型和飞碟型滑翔器的升阻比性能优于椭圆型滑翔器,而大攻角下椭圆型滑翔器相对其它两种具有更佳的升阻比性能,为新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究提供一定的思路。     

水下滑翔器浮力驱动机构布局分析

水下滑翔器是一种新型海洋测量平台,它采用浮力驱动方式,并依靠调整重心实现姿态控制.文中从研究水下滑翔器纵垂面内滑翔运动的平衡状态入手,通过对将浮力驱动机构布置在滑翔器的艏部和艉部时的平衡状态受力进行对比分析,指出将浮力驱动机构布置在艏部可以有效缩短重心调节重物的移动距离.并分析了两种布局方式的优缺点,为水下滑翔器的结构设计和控制系统设计提供了参考.     

可潜器设计中若干问题的探讨

本文从可潜器总体设计角度出发,对内部设置布置原则,科研蓄电池电源选用,重量、浮力平衡,浮力材料,耐压壳体不连续结构的设计,壳体加工制造,以及动力推进系统的选择等问题,进行了较详细的论述。     

异构滑翔器水声通信技术研究现状和发展趋势

水下滑翔器和波浪能滑翔器由于其低能耗、长航时、灵活机动的特点,被广泛应用于海洋观探测任务中。单一滑翔器无法满足海洋任务多样性、复杂性的需求,借助水声通信技术可将水下滑翔器和水面波浪能滑翔器的优势相结合,构成异构体滑翔器编队体系结构,建立跨介质信息传输链路,扩展滑翔器的作用范围和监测能力。简要介绍了水声通信技术的研究现状、常用算法及其优劣,综述了异构体滑翔器水声通信技术研究与应用国内外现状,探讨了异构体滑翔器水声通信技术难点和未来研究趋势。对异构体滑翔器水声通信和组网的研究与应用具有重要价值。     

深海腐蚀检测用水密电子舱设计

设计了一种可在300 m 水深条件下进行腐蚀电化学在线检测作业的水密电子舱, 它主要由耐压水密壳体以及集成在壳体外部的插接件式电极系统和多孔屏蔽罩组成。耐压壳体由圆柱形筒体和加强型平盖构成, 满足设计条件下的强度、密封、防腐要求。三电极系统采用水密接插件式设计, 安装在加强型平盖上; 电极系统与外部多孔罩组成开放屏蔽式电解池, 可在水下进行在线电化学测试。     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

深海水下滑翔器浮力驱动系统设计

以微型轴向柱塞泵为核心的高压浮力驱动系统是1 000 m以深水下滑翔器和剖面浮标优先采用的重要动力单元。文中首先介绍了当前国际上水下滑翔器和剖面浮标两型剖面运动平台的浮力驱动系统的种类及应用,然后以1 000 m以深水下滑翔器为例,系统地阐述了其高压浮力驱动系统的工作原理和设计方法,以及绝对排油量测量、吸油口气锁防止和柱塞偶件精密配合等核心问题。设计制作出精密、高效而且可靠的高压浮力驱动系统,可以为我国剖面观测平台的进一步发展起到推进作用。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。