连续冲击条件下水下潜器运动姿态估计方法

基于潜器水下状态的平衡方程,建立了潜器运动模型.通过对水锤压力的数值仿真计算,建立了潜器航行体发射时的运动控制模型.根据这一数学模型,计算分析了潜器在完整火箭发射后效(发射冲击与完整的水锤效应)作用下的运动响应和运动控制.结果表明:发射单枚航行体对潜器运动姿态有较长时间的影响,潜器的初始速度越大,影响程度越小,影响时间...     

脐带缆在潜器下放过程中的运动建模与仿真

潜器在下放布置过程中需要考虑变长度的脐带缆对其运动的影响,在考虑流的情况下,对脐带缆的有限差分模型进行了改进,并采用最小二乘方法求解由时间和空间上的中心差分格式离散后的非线性方程组。为了验证模型改进的有效性,将潜器在均匀定常流中水平匀速直航时的数值解与该特殊情况下的解析解进行比较,两组解的吻合不仅证实了模型改进的有效性,而且表明上述数值计算方法是可靠且有效的。在潜器下放布置运动给定的情况下,脐带缆的运动仿真结果表明,潜器姿态角的调整会对拖曳点处的缆绳张力大小和变化趋势产生显著的影响,流在改变缆绳空间形状的同时引起了缆绳对潜器作用力和力矩的非线性和时变性,脐带缆总是阻止潜器自身动力对运动速度和姿态角的改变,且对纵荡运动的影响最大。     

浮式探测器拖曳状态预测分析

引入升级拉格朗日方法,描述浮式探测器拖曳系统在收\放缆及定长拖曳阶段系缆上质点的运动情况。结合凝集质量法建立变缆长拖曳系统的动力学模型。仿真算例中浮式探测器无自主动力,其阻力系数已通过拖曳水池实验得到。仿真计算了不同拖曳航速及放缆速度情况下,各个阶段时拖缆的构型以及探测器的运动响应。讨论了拖曳速度和放缆速度对探测器运动的影响。本方法为浮式探测器的运动预测提供了理论依据。     

零航速减摇鳍升力模型研究

为了解决船舶在零航速下减摇的问题,采用一种新的运动控制方法,使减摇鳍的工作不再受航速的限制。根据零航速条件下的特殊运动方式,对减摇鳍在非定常流中的受力情况进行分析,详细讨论了各种流体作用力的产生机理,并给出定量计算公式。结果表明,零航速减摇鳍的升力与它的几何尺寸、旋转角速度和角加速度有关。在此基础上建立了零航速减摇鳍的升力模型,通过仿真结果与实验数据的对比,验证了该模型的正确性。     

FSRU码头系泊模型实验与数值模拟研究

FSRU在恶劣环境条件下的作业和安全停靠性能与系泊缆张力、靠垫挤压应力、船体6自由度运动等参数有关。针对FSRU码头处海洋环境条件,进行FSRU不同装载状况的模型实验,获得FSRU的6自由度运动及其系泊载荷的动力特性。基于三维辐射和绕射理论,使用Sesam软件进行频域计算,以此为基础在相应海洋环境条件下进行时域耦合分析,获得FSRU 6自由度运动、系泊载荷、靠垫应力等参数的响应时历。结果表明:30%装载、横浪条件下FSRU的运动响应最大,系泊缆张力未达到破断值,靠垫压力超过其压缩60%时的载荷;模型实验对FSRU运动响应和系泊缆张力的预测结果可信,靠垫受力情况需要数值仿真进行辅助研究。     

一种发射平台水面多弹分离过程的运动特性分析

水下运载器携带载荷至水面并快速完成分离是该类武器应用的重要环节。 以发射平台水面逐一发射多枚导弹的技术方案为背景,利用多刚体动力学模型对动基平台的水面多弹分离过程进行了数学建模。 在方案初步设计阶段,将三维模型进一步简化为一维模型,编写了可实现任意装填枚数的动基平台水面多弹分离过程动力学仿真软件;分析了平台出水速度、导弹装填枚数以及导弹发射间隔等参数对分离过程运动特性的影响;得到了发射平台水面发射多枚导弹的弹道变化规律。 计算结果具有一定的工程应用参考价值。     

加强环对浅球壳屈曲载荷的影响

本文通过理论计算和模型实验,探讨了加强环对部分浅球壳屈曲载荷的影响问题,作出了屈曲载荷与加强环刚度的关系曲线,从而为潜器的舱口盖、球面舱壁的设计提供了有价值的资料。     

海浪对水下垂直运动航行体出水姿态的影响分析

水下弹道是潜艇垂直发射导弹特有的一段弹道,导弹在航行过程中受到表层海水自然流动的影响,运动姿态发生复杂变化,其中,以海浪的影响最为明显。根据二维线性波理论在发射坐标系下建立了波浪模型,通过莫里森方程分析了海浪对水下垂直运动导弹的作用形式,建立了导弹水中运动数学模型,借助有限元思想,在Matlab/Simulink环境下仿真分析了不同航向和浪级下导弹水中运动姿态的变化规律,结论可为研究潜射导弹水中弹道提供参考和依据。     

半潜式航行体水平定深回转运动研究

半潜式航行体是遥控猎雷系统的重要组成部分,其回转机动性直接影响系统的探测精度及作业安全。 参照国外典型半潜式航行体设计仿真模型,建立其运动方程组,分别在不同航速和不同垂直舵角下对半潜式航行体的水平定深回转运动进行仿真分析。 仿真结果表明:半潜式航行体具有较好的回转机动性, 回转半径随着垂直舵角的增大而减小,横滚角随着航速及垂直舵角的增大而增大,应综合考虑回转半径及横滚角进行实际控制。     

水下拖曳航行器水动力和拖缆姿态仿真分析

水下拖曳航行器是被广泛应用的水下监测平台。为掌握水下拖曳航行器的水动力及其拖揽姿态,文章通过CFD仿真分析计算其零攻角下的阻力系数,并通过多刚体-球铰模型建立其运动数学模型,分析不同航速下拖曳系统的总拉力、拖缆长度和航行器位置等的参数变化。研究结果表明：随着船舶航速的变化,拖曳系统各项参数变化的差别很大;在200 m深度时,6 kn航速相比4 kn航速的总拉力增加73%,而所需的拖缆长度仅增加1%。该数学模型可对不同航速下的水下拖曳系统的总拉力和拖缆姿态等做出预测,为拖曳系统设计提供技术支撑。     

Analysis on the controlled nonlinear motion of a test bed AUV–SNUUV I

This paper describes the estimation of hydrodynamic coefficients and the control algorithm based on a nonlinear mathematical modeling for a test bed autonomous underwater vehicle (AUV) named by SNUUV I (Seoul National University Underwater Vehicle I).A six degree of freedom mathematical model for SNUUV I is derived with linear and nonlinear hydrodynamic coefficients, which are estimated with the help of a potential code and also the system identification using multi-variable regression.A navigation algorithm is developed using three ranging sonars, pressure sensor and two inclinometers keeping towing tank applications in mind. Based on the mathematical model, a simulation program using a model-based control algorithm is designed for heading control and wall following control of SNUUV I.It is demonstrated numerically that the navigation system together with controller guides the vehicle to follow the desired heading and path with a sufficient accuracy. Therefore the model-based control algorithm can be designed efficiently using the system identification method based on vehicle motion experiments with the appropriate navigation system.     

Wave Influence on Underwater Launch and Recovery System

In this paper,the underwater vehicle,sling and the mother ship are considered as a single de-gree of freedom system connected by a spring.Through the analysis of this system,a physical model is es-tablished,which describes the motion of the vehicle caused by the ship motion and wave motion.Furthermore,a mathematical model based on this physical model is obtained,and a numerical solutionprogram is made.As an example,a practical launch and recovery system for an underwater robot is calcu-lated by use of the program.and the motion track of the robot is obtained.     

Modeling and simulation of a novel autonomous underwater vehicle with glider and flapping-foil propulsion capabilities

HAISHEN is a long-ranged and highly maneuverable AUV which has two operating modes: glider mode and flapping-foil propulsion mode. As part of the vehicle development, a three-dimensional mathematical model of the conceptual vehicle was developed on the assumption that HAISHEN has a rigid body with two independently controlled oscillating hydrofoils. A flapping-foil model was developed based on the work done by Georgiades et al. (2009). Effect of controllable hydrofoils on the vehicle stable motion performance was studied theoretically. Finally, a dynamics simulation of the vehicle in both operating modes is created in this paper. The simulation demonstrates that: (1) in the glider mode, owing to the independent control of the pitch angle of each hydrofoil, HAISHEN travels faster and more efficiently and has a smaller turning radius than conventional fix-winged gliders; (2) in the flapping-foil propulsion mode, HAISHEN has a high maneuverability with a turning radius smaller than 15 m and a forward motion velocity about 1.8 m/s; (3) the vehicle is stable under all expected operating conditions.     

深海机器人视景仿真系统研究

以载人深潜器的各种水动力参数和实际尺寸为基础,根据几何空间坐标方程建立了其运动学模型,采用MultiGen公司的Creator建模工具和Vega视景环境完成了在深海虚拟环境下的系统仿真。该系统可以实现深海机器人的可视化,更加直观、生动和实时的反映其位姿状态和水面、水下巡航过程。该系统实际应用在中国科学技术馆深海机器人展馆项目上,一方面展示载人深潜器的水下工作过程,同时也使得观众有机会亲身体验潜水器的操纵与驾驶。实际运行结果表明,该系统逼真地演示了载人深潜器水面备航、无动力下潜以及近海底巡航等仿真过程,能够满足系统仿真的实时性要求。该系统还可以应用到深海环境模拟研究、水下机器人运动仿真、控制系统调试以及操纵驾驶训练等中。     

基于EMD-LSTM模型半潜平台运动极短期预报

半潜平台在复杂海洋环境作用下,会发生不规则的六自由度运动响应。这种平台运动的不规则性和随机性对平台作业、栈桥控制以及直升机起落等造成极大的不确定和未知风险。因此,在极短期内准确快速预报平台运动响应对深海浮式平台作业和设备安全具有重要的实际意义。然而目前针对浮式平台运动响应的计算主要是基于势流理论,对确定波浪激励下的平台一阶运动和二阶慢漂运动进行求解,计算的时效性不能满足实际需求。此外,还需要对入射波浪时历进行准确预报,导致平台运动响应准确计算更加困难。针对上述难题,提出了基于EMD-LSTM模型进行平台运动极短期预报的方法。该方法以半潜平台模型试验数据为研究对象,首先对平台运动响应的时间序列进行预处理,接着采用经验模态分解算法(EMD)将时间序列分解成相对平稳的分量,再利用长短期记忆(LSTM)神经网络可以处理复杂非线性长时间序列的优点,对时间序列进行训练预测,最后进行仿真,同时与传统LSTM模型与EMD-BP模型进行对比,仿真结果表明基于EMD-LSTM模型的平台极短期预报方法精度较高,该方法是可行的,具有工程应用的实际意义。     

海况对水下运载器吊放回收的影响

本文将水下运载器，吊索和母船看作是一个由弹簧连接的单自由度系统，通过对系统进行分析和研究，建立了水下被吊物体在吊索带动下，由吊臂端点运动引起的运动响应的物理模型、数学方程，并编制了各项参数可调的计算机程序以求解水下物体的运动轨迹。运用此程序，对影响参数作系列变化后进行了运动响应计算，并绘制成运动响应随这些参数变化的曲线，为水下吊放回收系统的设计提供了依据     

基于模糊神经网络理论对水下拖曳体进行深度轨迹控制

以华南理工大学开发的自主稳定可控制水下拖曳体为研究对象,首先通过水下拖曳体在拖曳水池样机中的试验取得试验数据后作为训练样本,采用LM BP算法,建立基于神经网络理论构建的可控制水下拖曳体轨迹与姿态水动力的数值模型。在此基础上设计了一个控制系统,它主要由两部分组成:基于遗传算法的神经网络辨识器和基于模拟退火改进的遗传算法的模糊神经网络控制器。以满足预先设定的拖曳体水下监测轨迹要求为控制依据,由控制系统确定为达到所要求的运动轨迹而应采用的迫沉水翼转角,以此作为输入参数,通过LM BP神经网络模型的模拟计算预报在这一操纵动作控制下的拖曳体所表现的轨迹与姿态特征。数值模拟计算结果表明:该系统的设计达到了所要求的目的;借助这一系统,可以有效地实现对拖曳体的深度轨迹控制。     

Research on hydrodynamics model test for deepsea open-framed remotely operated vehicle

This paper presents the features of newly designed hydrodynamics test for the scaled model of 4500 m deepsea open-framed remotely operated vehicle(ROV),which is being researched and developed by Shanghai Jiao Tong University.Accurate hydrodynamics coefficients measurement and spatial modeling of ROV are significant for the maneuverability and control algorithm.The scaled model of ROV was constructed by 1:1.6.Hydrodynamics coefficients were measured through VPMM and LAHPMM towing test.And dynamics model was derived as a set of equations, describing nonlinear and coupled 5-DOF spatial motions.Rotation control motion was simulated to verify spatial model proposed.Research and application of hydrodynamics coefficients are expected to enable ROV to overcome uncertainty and disturbances of deepsea environment,and accomplish some more challengeable and practical missions.     

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

为解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10 s,预测误差随着预测时间的增加而增大; Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动平均预测精度分别达到89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。     

Modeling and Simulation of Supercavity with Inertial Force in the Horizontal Curvilinear Motion

To make a curvilinear motion in the horizontal plane is one of the most contents for realizing the maneuverability of the supercavitating vehicle. It is significant to achieve the controllability and maneuverability of the vehicle in three dimensions both theoretically and practically on research. Models of angle of attack, gravity and inertial force effects on the supercavity in the horizontal curvilinear motion are established, respectively. The supercavity is simulated based on these models in combination with Logvinovich model and the unsteady gas-leakage rate model at the given ventilation rate, and the effect of the inertial force on it is analyzed numerically. Results show that the maximum deviation of the center line of the cross section of supercavity towards the outward normal direction of its trajectory increases as the cavitation number or curvature radius decrease and always occur in the tail because of the increase of inertial effects along the axis of supercavity from the cavitator when other models and flow parameters are constant for the given trajectory curvature. For the variable curvature, the supercavity sheds due to its instability caused by the time-varying angle of attack. The deviation increases along the length of supercavity if the curvature remains the same sign.