水下拖曳系统运动姿态仿真研究

采用凝集参数法建立了水下拖曳系统的三维离散模型,该模型由一系列的质量点和不计重量的弹簧组成.采用数学模型编程对NCEL浮球实验和四个典型拖曳系统进行了仿真计算.计算结果表明此数学模型具有一定的理论意义和工程实用价值.     

拖曳系统计算中拖缆与拖体的耦合计算

针对带有水下设备舱的拖曳系统,提出了一种有效的算法,来获得拖曳系统的运行状态。将拖曳系统分成拖缆和水下拖体两个部分,分别建立运动数学模型。拖缆部分的模型以Ablow和Schechter的运动数学模型为基础;拖体部分的模型采用类似潜器的水下六自由度运动方程。将这两部分方程联立,统一求解,解决两个模型之间的耦合问题。经过数值仿真的检验证明算法具有可行性。     

水下拖曳升沉补偿系统水动力数学模型研究

建立变缆长的水下拖曳升沉补偿系统水动力学偏微分方程组和边界条件.拖缆动力学模型基于Ablow and Schechter模型,拖体采用水下运载体六自由度方程模拟,运用有限差分法离散偏微分方程组和牛顿迭代法计算变缆长情况下拖体深度与拖缆各点张力的动态取值.数值计算结果表明采用收放拖缆的升沉补偿方法能够有效削弱母船升沉运动对拖体深度和拖缆张力的影响.     

拖曳式多参数剖面测量系统水动力与控制性能研究述评

综述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力学研究的最新进展。对拖曳缆绳、拖曳体以及将两者耦合起来所构成的整个系统水动力及控制理论进行述评,分析了各种理论的优缺点从中简要地描述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力研究的发展概要。     

深海拖曳系统水下控制技术研究

深海拖曳系统是人类开发利用海洋的一项重要手段。在众多深海探测装备中,深海拖曳系统以探测面积广、作业效率高、操控性能好等优势而得到了广泛应用。针对深海拖曳系统水下控制技术,从控制手段和控制策略2个方面对其发展历程、国内外研究现状等进行梳理,分析对比不同控制手段的优缺点,并对深海拖曳系统水下控制技术未来的研究方向进行展望,以期为深海拖曳系统的应用与发展提供参考。     

水下非均匀拖缆稳态动力学分析

水下拖缆物理参数不均匀会影响拖缆的动力特性,研究非均匀拖缆的参数变化对拖缆动力特性的影响有一定的工程实际意义。建立了拖曳系统运动的三维数学模型,推导出了水下非均匀拖缆的稳态运动控制方程,在首尾两端加上相应的定解条件,直接求得或使用嵌套二分法求得非均匀拖缆在端点的初始值,进而求解稳态动力学方程。借助文献中的拖缆—海底拖车系统算例,通过计算结果的对比,验证了数学模型及计算方法的正确性。通过四阶龙格库塔法进行数值仿真计算,得到了稳态解,分析了非均匀拖缆自身物理参数变化对缆绳系统稳态运动的影响。结果表明,非均匀拖缆的切向阻力系数、法向阻力系数、直径和密度变化会影响稳态缆形和张力分布,影响的程度各不相同。最后给出了两个尾拖船系统非均匀拖缆的稳态运动算例。     

复杂海况下水下拖缆数值分析研究

为了解复杂海况下风浪对水下拖缆的影响进行了动力学仿真研究。以P-M谱作为海浪谱密度公式,计算一组不同频率的组成波,采用线性波浪叠加法,计算由波浪引起的空间流场速度及加速度,推导叠加波的干扰力,将不规则波引入水下拖缆动力学模型中,采用四阶龙格库塔积分法对动力学模型进行数值求解,讨论拖缆在不同海况下的动力特性。结果表明,随着海况等级的提高,叠加波的频率范围逐渐降低,拖缆的垂向偏移量以及拖点处张力均会产生明显增加及波动,且其波动周期接近叠加波的平均周期;在不同浪向角的作用下,拖缆波动规律与规则波作用下类似,但也具有一些不规则波的特点。     

水下运载体定位理论模型及拖曳参数分析

通过分析连接水下运载体和信号浮标的缆绳的水下形态,提出一种将浮标的位置向水下延伸进行定位的方法。本方法比声学GPS定位系统更具经济性。并对拖曳系统某些参数进行了分析,得出了有益的结论。     

规则波作用下水下拖缆数值分析研究

研究了水面波浪对水下拖缆的干扰。首先基于集中质量法给出了三维非均匀拖缆在规则波作用下的数学模型,然后通过四阶龙格库塔方法进行数值求解,并根据仿真计算讨论了拖缆在不同波浪作用下的稳态响应特性。仿真结果表明,水下拖缆在规则波的作用下,不仅作近似的简谐振动,还会在横向、垂向产生一个偏移量,且随浪向角的变化呈现不同的响应特征。     

水下缆索运动建模与仿真分析方法

水下缆索运动建模过程中出现低应力松弛状态、大弯曲或扭转形变等状态,必须精细划分空间离散微元与时域求解步长以描述缆索曲率变化,进而避免数值求解奇异,这种处理方法使得求解水下缆索运动响应效率极为低下,甚至可能出现数值积分过程中截断误差与舍入误差累加导致的计算错误,无法描述水下锚泊、拖曳等系统的真实状态。针对精确描述水下柔性缆索的弯曲、扭转等形变状态及其对运动系统数学模型的影响,采用三次样条插值方法构建水下缆索微元空间形态,对连续水下缆索进行非线性离散处理,通过Galerkin余量消除方法实现求解域内满足缆索微元空间运动方程要求,建立了包含弯矩、扭矩作用的水下缆索动态运动数学模型与求解方法。通过与理论数值计算数据及海上实验数据对比分析,验证了本模型的准确性,可为水下锚泊系留、水下拖曳等系统的工程应用提供一种高效设计方法。     

水下拖体姿态角自适应控制器设计

水下拖曳系统在工作过程中拖体的俯仰角控制一直是水下拖体姿态控制的重要环节,设计了一种基于 RBF 神经网络的水下拖体直接自适应控制器,在闭环系统中利用 RBF 神经网络的局部无限逼近非线性函数的特性。将 RBF 神经网络的输出代替水下拖体动力学模型中的非线性不确定项,配合传统的 PD 控制器, 无需预先离线学习,在线学习更新神经网络权值,控制律和神经网络权值更新律经 Lyapunov 定理证明为稳定, 跟踪误差收敛到 0,通过计算机仿真比较该控制器与传统 PD 控制器的控制效果。     

Dynamic Analysis of Towed and Variable Length Cable Systems

Towed cable systems are frequently used in marine measurements where the length of the towed cable varies during launch and recovery. In this paper a novel method for modeling variable length cable systems is introduced based on the finite segment formulation. The variable length of the towed cable is described by changing the length of the segment near the towing point and by increasing or decreasing the number of the discrete segments of the cable. In this way, the elastic effects of the cable can be easily handled since geometry and material properties of each segment are kept constant. Experimental results show that the dynamic behavior of the towed cable is consistent between the model and the physical cable. Results show that the model provides numerical efficiency and simulation accuracy for the variable length towed system.     

拖曳线列阵阵形与姿态数值计算

本文提出的计算程序ＣＡＢＬＥ能预报拖缆系统中拖曳线列阵的三维运动,同时可计算各时刻缆索及列阵上相应的应力。系统的运动方程与Ａｂｌｏｗ［１］提出的相似,采用有限差分法计算求解。程序能够计算不同航速定常直航状态下列阵的阵形与姿态,可解决不定常运动（例如回转运动）、考虑流速以及船舶有升沉等多种运动状况的阵形预测。所得结果与其它计算及试验所提出的结果显示出良好的一致性。程序所花计算时间少,计算可靠。程序可运用于实际操作中。     

水下拖曳测量装置的前置浮球防护法

阐述了保护绳法和拖带浮球法在防止水下拖曳测量装置意外丢失中的应用，在总结经验的基础上，提出了一种新的经济实用且简便易行的防护方法——前置浮球防护法。     

水下量子通信的数值模拟及误码率分析

水下量子密钥分配可以为水下通信提供绝对安全的保密手段。本文采用蒙特卡洛方法,结合海水信道的光学性质和光子的量子特性模拟了光子在海水中的传输过程,研究其衰减和偏振特性,计算了接收到的光子数随接收端口径、视场角和传输距离的变化,从保真度的角度分析散射光的偏振变化情况,并结合背景光的影响分析了水下量子通信误码率。结果表明,水下量子通信理论上可以实现百米量级的安全通信。     

海洋测量水下拖曳设备的位置计算方法研究

针对海洋测量水下拖曳设备位置确定问题,综合考虑拖缆受力、海流影响以及水下拖体的运动性质,建立了水下拖曳设备的位置计算模型,并仿真计算分析了测量船在不同航行状态下拖曳设备位置确定的规律,探讨了不同海流效应对拖曳设备位置确定的影响。仿真计算结果表明,在海洋动态环境作用下,拖缆各方向的偏移明显呈曲线形状,非简单几何运算所确定。测船各方向的运动均可对水下拖体的位置在相应方向产生一定影响,而水下拖体位置的变化量小于测船拖点位置的变化量。海流对水下拖曳设备定位可造成数米的偏差,需进行相应改正。建议可考虑采取船载式ADCP实时测流辅助水下拖曳设备定位的工作模式。     

利用海底电缆测海流的理论探讨

本文根据国际上进行的利用海底电缆测海流的研究报道,从理论上分析了其工作原理及可行性。文中讨论了实际电场对流场的反应速度和具体的测量方法。     

An Integrated Hydrodynamics and Control Model of A Tethered Underwater Robot

An integrated hydrodynamics and control model to simulate tethered underwater robot system is proposed. The governing equation of the umbilical cable is based on a finite difference method, the hydrodynamic behaviors of the underwater robot are described by the six-degrees-of-freedom equations of motion for submarine simulations, and a controller based on the fuzzy sliding mode control (FSMC) algorithm is also incorporated. Fluid motion around the main body of moving robot with running control ducted propellers is governed by the Navier–Stokes equations and these nonlinear differential equations are solved numerically via computational fluid dynamics (CFD) technique. The hydrodynamics and control behaviors of the tethered underwater robot under certain designated trajectory and attitude control manipulation are then investigated based on the established hydrodynamics and control model. The results indicate that satisfactory control effect can be achieved and hydrodynamic behavior under the control operation can be observed with the model; much kinematic and dynamic information about tethered underwater robot system can be forecasted, including translational and angular motions of the robot, hydrodynamic loading on the robot, manipulation actions produced by the control propellers, the kinematic and dynamic behaviors of the umbilical cable. Since these hydrodynamic effects are fed into the proposed coupled model, the mutual hydrodynamic influences of different portions of the robot system as well as the hydrological factors of the undersea environment for the robot operation are incorporated in the model.     

Numerical Simulation of Dynamic Response of Towed Systems

In this paper,the dynamic response of undersea -+towed systems is numerically simulated.Atwo body towed system is especially considered in detail.The factors influencing the heave oftowed-bodies,such as the weight of the towed-body(in sea water),the length and the weight(in sea water)per unit length of the cable between towed-bodies and towing ship,are investigated in detail.Calculationsshow that the two-body towed system can greatly increases the stability of the towed system.