微型缆控水下观测机器人推进动力分析

文中针对一款配置4个螺旋桨且五自由度运动可控的微型缆控水下观测机器人进行了推进动力性能分析,采用流体力学方法计算了螺旋桨推力和扭矩,以及机器人的总体运动阻力和运动效率等关键动力参数。该水下机器人利用水平配置的螺旋桨推进器可实现前后移动和横向转弯,利用两个V型配置螺旋桨推进器可完成垂向、横向和横滚运动。文章首先对单个螺旋桨转速分别为3 000 rpm,4 000 rpm,5 000 rpm时进行了水动力学分析,计算了不同转速下对应的前向推力和阻力扭矩,拟合了转速-推力和转速-扭矩曲线;其次,对水下机器人整体模型在前向、横向和垂向三个方向上进行了水动力学计算,分析了机器人的整体运动阻力,拟合了机器人的速度-阻力曲线;然后,对应比较螺旋桨的转速-推力曲线和机器人的速度-阻力曲线,大致得出不同螺旋桨转速下机器人的推进速度,明确螺旋桨转速与机器人运动速度的对应关系,为螺旋桨水动力分析确定入口速度;最终,根据螺旋桨入口速度,重新计算螺旋桨水动力,绘制了转速-推力和转速-扭矩曲线,并确定机器人的推进效率,得出了螺旋桨转动和水下机器人整体运动的关键动力参数。     

潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究

采用Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方法计算潜艇三维粘性流场,分析潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响.采用全附体SUBOFF模型验证了CFD方法,通过将螺旋桨盘面处的实效伴流场、艇体表面压力分布以及模型总阻力的模拟结果与Taylor船池的实验结果进行对比.比较结果显示CFD计算结果与实验数据具有很好的一致性,表明CFD方法可以用于潜艇指挥台围壳设计的水动力计算.通过数值计算研究指挥台围壳的高度和在艇上的分布位置对其后方的流场、螺旋桨盘面处的伴流场和阻力的影响.     

“海龙III”号ROV系统深海试验与应用研究

深海水下机器人主要用于深远海地质、矿物资源和生物调查研究,以及海洋石油工程服务等水下综合作业,能够实现深海近底高精度、长时间的定点取样作业及其他精细化调查。本文结合国内外深海ROV装备和技术发展现状,以新研发的6000米级“海龙III”号ROV搭载“大洋一号”船执行的2018年南海综合海试和48航次为例,从深海试验流程和方法、浅水区功能测试、深水区功能测试、深海观测及取样功能测试等方面,详细阐述了ROV海上试验和应用作业过程,对作业水深、功率配置、水下运动能力、搭载能力等关键性能指标进行了试验验证。经过海上功能测试和试验性应用结果表明,“海龙III”ROV各项性能指标满足设计要求,验证了系统在不同深度、不同地形条件下的观测取样作业能力,创新了深水ROV作业方法手段,分析得出此类装备目前在国内发展存在的不足之处,并结合实际应用提出后期改进计划,以期为深海ROV的海试应用提供技术参考。     

“海龙Ⅲ”号ROV系统深海试验与应用研究

深海水下机器人主要用于深远海地质、矿物资源和生物调查研究,以及海洋石油工程服务等水下综合作业,能够实现深海近底高精度、长时间的定点取样作业及其他精细化调查。结合国内外深海ROV装备和技术发展现状,以新研发的6 000 m级"海龙Ⅲ"号ROV搭载"大洋一号"船执行的2018年南海综合海试和48航次为例,从深海试验流程和方法、浅水区功能测试、深水区功能测试、深海观测及取样功能测试等方面,详细阐述了ROV海上试验和应用作业过程,对作业水深、功率配置、水下运动能力、搭载能力等关键性能指标进行了试验验证。海上功能测试和试验性应用结果表明,"海龙Ⅲ"ROV各项性能指标满足设计要求,验证了系统在不同深度、不同地形条件下的观测取样作业能力,创新了深水ROV作业方法手段,分析得出此类装备目前在国内发展存在的不足之处,并结合实际应用提出后期改进计划,以期为深海ROV的海试应用提供技术参考。     

我国引进深海水下机器人“海狮”号

广州海洋地质调查局日前成功引进一套4000m级深海遥控水下机器人（ROV）,这是目前我国引进的最大深度的高技术海底运载作业设备,将大幅提高我国4000m级深海科学勘察能力。据介绍,这套深海遥控水下机器人（ROV）现已命名为“海狮”号,整套系统由甲板控制台、甲板供电单元、     

深海采矿转场工况平台—水下系统耦合动力响应特性研究

针对水深6.0 km深海采矿装备,研究其转场工况平台—水下系统耦合动力响应特性。建立深海采矿平台—输浆管—中继站一体化耦合动力模型,其中采用有限元方法离散输浆管,采用势流理论计算平台水动力,基于Kalman滤波对动力定位系统进行参数整定,优化动力定位系统推力。考虑动力定位系统,计算水动力和采矿平台—输浆管—中继站的频域响应和平台—水下系统耦合时域运动响应,计算得到了平台时域运动响应、水下系统动力响应及动力定位系统推力响应。结果表明：建立的一体化耦合动力分析模型是可行的,可以有效预报平台及水下系统响应;转场0°浪向动力定位系统可以有效控制平台运动;中继站运动较小,输浆管轴力较大,建议将输浆管的浮力材料移动到流速较小的水下范围,可降低拖曳力,有利于输浆管的强度性能。     

一种小型水下自航行器推进系统设计与分析

从系统角度考虑,整体优化,设计了水下自航行器推进系统.通过外形优化减小轴向阻力,根据阻力和综合分析设计螺旋桨,并由敞水池试验验证螺旋桨的性能,在此基础上完成了推进控制系统的分析与优化设计.试验结果证明系统设计方法正确,推进系统性能良好.     

摆动尾鳍水动力性能的试验和数值研究

鱼类能够在水下高速度、低噪音、高效率地游动。鱼类出色的推进性能通过其摆动尾鳍实现。这种摆动尾鳍推进方式已经用在了水下无人航行器上。因此研究摆动尾鳍的水动力性能是非常有意义的。对摆动尾鳍的推进水动力性能进行了详尽的研究。设计、装配了一套仿尾鳍推进系统,并对其进行了相应的水动力试验。在试验中研究了运动参数对摆动尾鳍水动力性能的影响。与此同时,采用基于雷诺平均N-S方程的数值方法对摆动尾鳍的水动力性能进行了研究。在数值计算中采用了k-ωSST湍流模型和有限体积法。数值计算结果和水动力试验结果进行了比较。对尾鳍表面的压力分布和流场中的尾涡结构进行了分析。水动力试验和数值计算都表明摆动尾鳍可以产生推进力和较高的推进效率。     

水下仿生流场探测技术研究进展

随着对海洋的探索与开发,水下探测技术的发展起到了重要作用。水生动物的敏感器官,如鱼类的侧线和海豹的胡须等,可感知物体运动产生的水动力尾迹。受此启发,仿生流场探测技术克服了光学与声学探测在水下复杂环境中近场感知的局限性,已成为目前的研究热点。首先,对典型水下探测技术的研究现状进行了总结。然后,解释了水下仿生流场探测的原理,总结了基于不同原理设计的仿生流场传感器的研究进展,分析了水动力流场探测方法的研究进展。最后,给出了水下仿生流场探测工作中亟需解决的关键问题,并对未来的研究方向做了进一步展望。     

深海上浮平台线型设计及水动力特性预报

深海上浮平台是水下装备技术朝信息化、智能化方向发展的未来趋势,对根本扭转我海上战略安全形势、在深远海有效拒止强敌具有重大意义。针对深海上浮平台长期服役、水下快速上浮、大深度耐压密封等特点,提出了一种基于回转体外形的大型航行器外形设计及水动力特性预报,着重解决平台在无动力上浮时的低阻性要求,经过理论估算和CFD软件仿真验证,仿真结果满足设计要求,对深入研究无动力深海上浮平台提供重要技术支撑。     

ROV虚拟监控和动力定位系统软件分析与设计

在某型ROV控制系统的基础上扩展开发了一套具有虚拟监控(VMS)功能和动力定位(DP)功能的软件,此软件不仅能够仿真ROV的水下作业过程并且能实时对ROV的水下作业进行控制。介绍了此软件的开发过程并对软件中各组成部分以及它们之间的关系进行了详细的论述。     

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。     

深海ARV在海洋资源调查中的应用及展望

深海自主/遥控式水下机器人（ARV）作为新兴的复合型水下机器人,融合了自主式水下机器人的灵活性和遥控式水下机器人的人机交互性等优势,开启了自主与遥控混合作业的新模式。深海ARV可切换为AUV自主航行模式,独立采集周边区域近海底地形地貌、地质结构以及环境参数等数据,也能下潜至目标区域后切换为ROV遥控模式进行局部观察和采样操作,其探测作业一体化技术代表了具备复杂使命执行力的第三代深海水下机器人的发展方向。通过分析国内外深海混合型水下机器人的发展现状,结合ARV在中国深海矿产资源调查中的主要应用案例和取得的成果,以6000米级 “问海一号”ARV系统的研发为例,给出其关键技术集成以及面对的技术挑战,并对未来深海ARV的应用场景、功能集成和发展方向提出了一些设想和建议。     

简易导管三叶可调螺距螺旋桨系列

为改善船舶推进和海洋工程动力定位的性能,对导管螺旋桨及可调螺距螺旋桨进行了多方面的研究工作。采用导管可调螺距螺旋桨可兼顾二者之优点进一步改善其推进性能。 利用交通大学JDC三叶可调螺距螺旋桨系列和JD7704导管组合成导管调距桨系列,本文提出了全部试验及分析结果。 用多元回归分析方法对全部试验结果进行处理。最后,给出了回归系数,敞水性征曲线,水动力及离心力转叶力矩值以及(B_p)~(1/2)-δ图谱,供设计使用。     

用于近海海洋环境检测的轻型机器人

介绍一种新研制的用于近海海洋环境检测的轻型机器人,该机器人由智能检测控制台、水下检测器和控制电缆三部分构成;水下检测器由6个独立密封舱室和尾翼组成,具有一个主推进器和两个侧向推进器。特点是采用了潜艇式ROV结构,大幅降低了成本,适度增大了负载,可以满足一般工程检测的需要。通过在控制台上发出指令,可控制ROV完成前进、后退,上浮、下沉、左右转弯等动作;可以实现一定流速下的动力悬停,可以使ROV保持一定的倾角,以配合实现检测作业。该水下机器人可以检测腐蚀电位、温度、深度等最多16个参数,设计深度为40m。     

ROV动力定位系统控制时序与逻辑设计

对ROV动力定位系统（DP）的控制时序和事件触发逻辑进行了分析和设计。解决了包含有核心控制策略算法的动力定位系统与ROV自身水下计算机（下位机）之间的控制时序的匹配问题以及事件触发逻辑关系的相互响应问题;此外,采用线程同步和时钟校验的方法以确保动力定位系统对通讯数据包的实时跟踪处理。从试验情况来看,本文提出的设计完全满足实际工程作业的要求。     

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。     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

深水新型水下立管支撑平台研究

FPSO系统在深海海洋油气资源开发中扮演着重要的角色,而深水FPSO系统水下立管管路较长,立管整体重量较大,立管在水流作用下产生的涡激振动也较强,这些将给FPSO主船体带来严重的稳性、强度及疲劳问题。鉴于此,深海FPSO系统在油气资源开发过程中,须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体,用以支撑来自深海海底的管线,减轻深水立管对FPSO的负载作用。随着深海资源开发的深入发展,传统水下软管支撑浮体作为FPSO系统的关键装备已经无法满足深海开采的需求,寻求大型化、深海化、生命周期长久化的新型水下立管支撑平台迫在眉睫,设计简便快捷、低风险的安装方法成为其开发过程中的重点和难点。详细描述了水下软管支撑浮体的产生及其发展历程,针对深海开发的需求提出了新型立管支撑平台的新概念,着重对新概念下下水安装更便捷的耐压立管支撑平台设计原理及其下水安装方式展开了分析,最后对水下软管支撑浮体和新型立管支撑平台的关键技术进行了总结,并提出了需进一步解决的问题。     

动力定位系统在大洋富钴结壳调查中的应用

大洋富钴结壳资源调查受到海流、风力、波浪等外界作力影响,导致调查效率低,调查定位精度下降,甚至损坏调查设备。动力定位系统能让调查船舶长时间保持在某点上,让船舶极低速保方航行,或跟随水下调查设备航行,从而克服外界因素对调查的影响,保障调查安全。介绍了动力定位系统原理和主要功能及大洋富钴结壳主要调查手段,分析了动力定位系统在海底摄像、深海拖网、海底浅钻、重力活塞取样、ROV等手段中的应用,得出该系统在大洋富钴结壳调查应用中能提高工作效率、调查安全性和定位精度,以确保调查者更真实地获得海底资源资料的结论。