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。     

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。     

水下滑翔机器人运动分析与载体设计

水下滑翔机器人是一种新型水下机器人,具有噪声低、航行距离远、续航时间长、成本低等特点。分析了水下滑翔机器人的驱动机理和运动实现,给出了水下滑翔机器人典型运动的仿真结果,并以正在设计的一水下滑翔机试验样机为研究对象,描述了样机的整体结构布局,详细研究了浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构的实现方法,并就样机中各执行机构的设计实现进行了论述。     

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。     

水下滑翔机器人研究进展及应用

水下滑翔机器人（AUG）是一种将浮标技术与传统水下机器人技术相结合的新型水下机器人,可用于长时间、大范围的海洋环境测量和监测,具有较高的可控性和机动性。在欧洲地区海洋环境安全（MERSEA）中水下滑翔机器人扮演了重要的角色,未来其应用领域将更加广泛,性能更加先进。     

水下滑翔机器人运动机理仿真与实验

对水下滑翔机器人SEA-WING的定常滑翔运动和空间定常螺旋回转运动进行机理分析,针对其特定水动力系数进行仿真,得出其运动机理特性.在此基础上,通过湖试实验数据对仿真结果进行验证,认为对于定常滑翔运动,以约36°航迹角滑行可得到最大水平速度;在相同航迹角航行情况下,水平方向速度随净浮力的增大而增大.对于定常回转运动,回转半径由载体的质量、俯仰角、水动力参数、横滚角确定.在质量和俯仰角保持不变条件下,横滚角对回转半径的影响较明显,系统的回转半径可以通过控制横滚角来实现的.     

载人潜水器圆柱形耐压壳体的优化设计研究

采用分枝定界法和序列二次规划方法,对载人潜水器圆柱形耐压壳体的重量最小化进行了研究.设计变量是壳板的厚度、肋骨的型号、间距和数量,讨论了下潜深度、材料几何参数对重量以及其它特征量的影响.算例计算表明,下潜深度越大,屈服极限越高的材料重量减轻越明显.对于大深度而言,选用高屈服极限材料,可以使得材料能够充分利用.文中还对结构重量占排水量比例随深度变化的情况进行了研究.     

水下滑翔器主体外形优化设计

对水下滑翔器主体外形的优化设计问题进行研究.首先,在考虑内部机械结构限制的条件下,建立了主体外形优化数学模型,并采用CFX计算了若干主体形状的绕流阻力.在此基础上建立了映射主体外形的尺寸参数与绕流阻力的BP神经网络.然后将建立的神经网络作为优化设计问题的目标函数,采用坐标轮换法对滑翔器主体外形进行了优化设计,确定了尺寸参数的最优解.     

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。     

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.     

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。     

万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆流场数值模拟

耐压结构是深海潜器的重要组成部分,但在深海的高压环境中却存在内爆的风险。为研究陶瓷耐压结构水下内爆的流场特性,使用针对可压缩多相流问题开发的开源代码,采用直接数值模拟,应用自适应直角网格,对两种压力条件下的耐压结构水下内爆进行了数值模拟。通过低压模拟结果与理论解和试验值比较,验证了模拟方法的有效性,进而开展万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆模拟。分析发现：陶瓷耐压结构发生内爆后,其内部气腔存在多次压缩—反弹现象,深海环境压力越大则反弹越不明显;气腔反弹阶段,在结构外部将产生数倍于深海环境压力的冲击波,且传播速度接近声速;冲击波压力峰值与到球心距离呈负指数幂函数关系;在相同深海环境压力下,耐压结构外部监测点的冲击波压力与球体半径呈正比例关系。     

Optimum design of multiple intersecting spheres deep-submerged pressure hull

The multiple intersecting spheres (MIS) pressure hull is a logical derivative of the single unstiffened sphere, which is frequently used for deep operating, small submersibles because of its attractive low buoyancy factor. This paper investigates the optimum design of an MIS deep-submerged pressure hull subjected to hydrostatic pressure, using a powerful optimization procedure combined the extended interior penalty function method (EIPF) with the Davidon–Fletcher–Powell (DFP) method. In this study, the thickness of the shell, the width of the rib-ring, the inner radius of the rib-ring and the angle of intersection of the spherical shell are selected as design variables, and structural failure and human requirements are considered to minimize the buoyancy factor. Additionally, a sensitivity analysis is performed to study the influence of the design variables on the optimal structural strength design. The results reveal that the shell thickness is most important to lobar buckling strength, and that rib-ring width, rib-ring inner radius and spherical shell intersection angle are most important to rib-ring hoop strength. Optimization results may provide a valuable reference for designers.     

基于iSIGHT重于水的无人自治潜水器概念设计及优化方法

介绍一种新型重于水的无人自治潜水器的概念设计及主艇体优化方法,阐述了主艇体、机翼、尾翼等设计原理。以飞鱼Ⅱ设计过程为例,详细描述了重于水的无人自治潜水器概念设计流程,并通过iSIGHT优化设计软件对主艇体的设计参数进行优化。优化结果表明,优化后主艇体重量能够减小48%,阻力减小2.9%。     

初始缺陷对深海载人潜水器耐压球壳塑性稳定性影响

载人深潜器耐压球壳是中厚度壳结构,当结构发生失稳时,球壳结构的局部部位因为材料达到屈服极限而发生了塑性变形.将有限元分析与经典理论相结合,研究弹性屈曲模态缺陷、局部缺陷以及球壳整体圆度和厚度偏差对中厚度球壳结构的塑性稳定性的影响.计算结果表明中厚度球壳结构对初始缺陷并不很敏感,对球壳结构当局部缺陷范围刚好达到临界弧长时结构的承载力最弱.通过缺陷结构和完善结构的极限承载力比较,提供了初始缺陷影响曲线.     

单应答器导航深海试验

布放于海底的单只应答器能够为安装有超短基线的水下潜器定位导航。介绍了单应答器导航的基本原理,简要分析了各种可能误差源对导航精度的影响。为了验证系统在深海中的工作性能,在中国南海进行了深海试验并给出了结果。     

钛合金载人舱球壳试验压力和应力衡准取值研究

各国潜水器规范对潜水器载人舱球壳试验压力的规定各有不同,以球壳的中面膜应力作为计算对象,推算各规范和标准关于膜应力在试验压力下的应力衡准。结合"蛟龙号"和"深海勇士号"两型潜水器载人舱球壳的外压试验,对计算应力和实测应力数据分析对比,提出适合钛合金载人舱球壳的试验压力和应力衡准参考值。     

水下滑翔机在识别水团新结构中的应用

本研究基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的水下滑翔机在热带东太平洋观测获取的连续剖面温盐数据,并通过与多套不同数据的比测,证实国产水下滑翔机观测的温盐数据准确可靠,未来可大范围应用于深海大洋。观测结果首次发现该海域北太平洋中央水（NPCW）（50~100 m）的60~80 m层分布着中间层低盐水,分析认为该低盐水来源于水团下方的加利福尼亚流系水（CCS）,中间层低盐水形成的动力机制主要受跃层附近的内波控制,并与内波强度密切相关,同时受上层（20~60 m）障碍层的影响,该中间层低盐水仅仅出现在60~80 m。本研究发现内波与障碍层能够通过影响动能与热能的传输进而促进水团新结构的形成,相关成果丰富了内波与障碍层对上层海洋响应的研究,具有重要的科学价值。