泵喷推进水下滑翔机尾舵设计及仿真分析

泵喷推进水下滑翔机是在传统浮力驱动型水下滑翔机基础上配置泵喷推进器发展而来的一种混合驱动型水下滑翔机。为了提高其机动性,泵喷推进水下滑翔机采用尾舵式结构设计方案。采用数值仿真方法,针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究,完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法,对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能,仿真结果表明： 尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。     

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。     

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。     

混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计

水下滑翔机尾部增加推进器实现其快速前进,螺旋桨是推进器的核心部件,要求其具有较高的推进效率、振动小、噪声低。首先通过分析螺旋桨的推进效率随直径、转速的变化关系,引入低速高效螺旋桨的设计理念,提出基于数学计算软件及三维建模软件的螺旋桨三维建模方法;然后,运用数学计算软件及螺旋桨曲线算法快速绘制螺旋桨的三维曲线,并对螺旋桨的直径、叶数、叶片厚度及倾角进行优化,大幅提高螺旋桨的推进效率;最后,在数学计算软件中计算出螺旋桨的特征点在空间笛卡尔的坐标,将桨叶的特征点导入三维建模软件,生成三维实体。文中所述方法提高了设计螺旋桨的推进效率及模型构造的准确性。     

探讨超疏水技术在水下航行器上的应用

超疏水技术通过在材料表面涂覆憎水的低浸润性涂层,导致水滴在其表面无法滑动铺展而保持球形滚动状,提升材料抗腐蚀、防污自清洁能力。 由于特殊的浸润特性,超疏水材料在水下航行器上的研究得到越来越多的关注。 超疏水技术有效地解决困扰水下航行器发展的瓶颈问题,降低航行阻力,噪音和提升防污抗腐蚀能力。 着重介绍超疏水技术在水下航行器减阻、防污抗腐蚀和降噪领域的应用现状。     

混合驱动自主潜航器续航能力分析

混合驱动自主潜航器融合了自主潜航器机动灵活和水下滑翔机续航能力强的优点,针对自身携带能源有限的问题,对在两种工作模式下如何实现最大航行距离进行了研究.从航行过程中的能源消耗入手,得出航行距离与速度、电子设备功率等的关系,通过理论分析和仿真手段得出最大续航能力的实现方法.在螺旋桨驱动模式下,当以经济航速航行时,可以达到最大航行距离;在浮力驱动模式下,当以最大滑翔效率航行时,水平方向上的滑翔距离最大,并且水平方向上的滑翔距离随着剖面深度的增大而增大,当剖面深度大到一定程度之后,最大滑翔距离趋于恒定.该研究方法可为类似水下航行器电源管理系统的能源分配提供参考,也可为航行器外形的设计和传感器的选型提供理论指导.     

UUV定深控制模型参数优化设计方法

合适的控制模型参数能够保证被控对象在较快的响应时间和较小的超调量下达到控制目标,无人水下航行器定深控制模型参数的优化设计对提升水下航行器使用性能具有重要意义。首先,建立了水下航行器空间运动学方程,基于 Modelica 建模语言构建了航行器虚拟样机及其定深控制模型。然后,以响应时间和超调量最小为优化目标,采用非支配排序差分进化算法建立了水下航行器定深控制模型参数多目标优化流程,基于 OPTIMUS 平台构建了水下航行器定深控制模型参数优化设计工作流。以某水下航行器为对象的实验结果表明：所提方法可快速获得较优的 PID 控制模型参数,优化后的水下航行器定深运动控制特性显著改善。     

定转子间距对泵喷推进器的影响

采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法,计算 3 种不同定转子间距的泵喷推进器模型,探究了定转子间距对泵喷推进器的推进性能及流场的特性影响。结果表明：定转子间距主要影响其扭矩平衡的效果,间距越大扭矩平衡效果越差;随着进速系数的增加,后置定子的扭矩会超过转子扭矩,使泵喷推进器处于“超平衡”状态;分析了定转子间的切向和径向速度场的分布特性,以及转子表面压力分布特性;后置定子上下表面的压力差,是其产生扭矩的主要原因,定转子压力差在定子的中间部分达到最大;定子的上下表面压力差随着间距的增加而减小。采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV) 实验方法验证了数值模拟方法的准确性,研究结果可为泵喷推进器的设计及其流场特性分析提供基础。     

无人水下航行器故障预测与健康管理框架研究

针对无人水下航行器维修保障难度大、成本高的问题,论述了 PHM 技术在无人水下航行器的系统级、分系统级、设备级的应用问题,提出了一套适用于无人水下航行器机载、岸基故障预测与健康管理(PHM) 系统框架结构。分析了其中的关键技术,在此基础上进行了无人水下航行器 PHM 数据流结构设计。最后,以 PHM 技术工程应用为线索,提出了无人水下航行器 PHM 总体集成技术方案。     

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.     

基于MATLAB的自主水下航行器经典控制算法仿真分析

针对自主水下航行器在水下航行中的姿态控制问题,采用经典控制律的数学模型,依据总体参数和流体动力参数,代入到下航行器纵向运动微分方程组中,通过MATLAB自编程序运用龙格库塔法求解此微分方程组,并将经典控制方程(算法)引入到微分方程组的求解当中,其仿真分析结果验证和支持了自主水下航行器的湖上试验,为某自主水下航行器项目实...     

仿鱼尾推进小型水下航行器设计与模型试验研究

以蓝鳍金枪鱼为蓝本,进行了仿鱼尾推进小型水下航行器方案设计与模型制作,包括设计主体外形、主体结构及安装形式、传动机构、尾鳍形状等。在水池中开展了自航实验,测定了尾鳍的摆幅、频率、形状及刚度对航速的影响,结果表明在相同条件下提高尾鳍摆动频率或增大尾鳍摆幅,能提高水下航行器的速度;当采用柔性尾鳍时,航行器的速度明显增加。     

AUV重力测量的运动加速度建模及平台优选

针对适合捷联式重力仪的AUV搭载平台的选型问题,基于国内AUV实际航行数据,分析了多推进器组合、推进器和浮力舱组合、推进器和鳍舵组合等3类AUV的定深航行运动特性;推导了AUV水下航行在3个坐标轴方向上对重力仪产生的运动加速度计算公式,得到运动加速度与AUV水下6个自由度运动要素的解析表达式;基于运动加速度分析,讨论了适用于水下移动重力测量的AUV平台和推进装置设计,进行了AUV搭载平台的优选,并给出了重力仪安装位置建议;选定的AUV实验平台实施移动重力测量验证试验重复线精度达到0.42mGal,验证了搭载平台优选的有效性。     

高海况下无人水下航行器的横摇运动分析

为明确高海况下海况等级对无人水下航行器横摇运动的影响,得出满足某型无人水下航行器安全回收的海况条件,对高海况下无人水下航行器的横摇运动进行分析。运用频率响应法,分别在4级、5级和6级海况下,根据海浪谱密度函数和该型航行器的横摇频率响应函数,求得其横摇运动谱密度函数。再运用公式推导,得到其横摇运动的时域函数。使用MATLAB仿真软件对该型航行器进行横摇运动仿真,得到3种海况条件下,其横摇运动的时域函数图像,并验证仿真结果的准确性。仿真结论:高海况下的海况等级对无人水下航行器的横摇幅度有较大影响,满足其安全回收的海况条件为5级海况。     

某无人水下航行器阻力特性数值模拟

基于FLUENT流体CFD软件,对带鳍舵布局的某无人水下航行器进行了阻力特性数值模拟.选择了合理入口边界条件、出口边界条件、压力与速度的耦合求解方法.数值模拟结果与风洞实验对比表明:该方法对无人水下航行器的阻力特性的预测精度较高,且对流场的显示更加详细、直观.所取得的研究成果对带鳍舵布局无人水下航行器的外形设计具有一定...     

小型自主水下航行器尾舵设计与研究

针对小型自主水下航行器(AUV)尾舵设计的关键问题,采用二维计算流体力学(CFD)方法模拟了流速为2m/s时.常用NACA00××系列翼型在不同来流下的情况,得到了小型自主水下航行器常用翼型的水动力特性;采用DNV规范计算得到了尾舵面积的大小;采用三维CFD方法研究了舵轴位于不同位置时的铰链力矩.找到了具有最小铰链力矩的舵轴位置.文中的研究结果为小型水下自航行器尾舵的设计提供了理论依据和参考.     

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。     

基于多波束声呐的同时定位与地图构建

对自主水下航行器定位与建图进行了研究。分析了 SLAM 的算法原理,采用 BlueROV2 和声呐、 DVL、IMU 搭建了实验平台,并选择合适的算法框架完成了完整的算法设计。使用声呐为主要感知单元完成自主水下航行器的 SLAM 实验,并对声呐数据的杂波、野值、虚警等进行了滤波处理。最后,在水池、湖泊试验中对所研究的 SLAM 算法的定位与建图进行了验证,取得了良好的试验结果。     

自主水下航行器的软变结构控制

研究自主水下航行器系统的软变结构控制策略问题。首先分析软变结构控制系统的结构特征,利用双曲正切函数,给出控制受限情形的软变结构控制策略。其次利用Lyapunov稳定性理论,讨论自主水下航行器软变结构控制系统的稳定性,然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器,给出自主水下航行器软变结构控制的具体算法。基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统调节精度高,响应速度快,有效地削弱了系统抖振。最后通过一个仿真实验,比较了自主水下航行器垂直深度通道的4种控制策略对系统性能的影响,从而验证了研究方法的有效性。     

泵喷射推进器单频声实验研究(英文)

给出泵喷射推进器低频线谱的实验研究及分析结果。实验发现,在泵喷射推进器的噪声谱中,存在及其丰富的低频线谱,这些线谱的谱级非常之高,甚至可比噪声谱中连续谱部分高出２０ｄＢ～３０ｄＢ。并且这些低频线谱基本上都是转子轴频和叶频的谐波分量。实验结果表明,这种单频声的发生,发展与转子叶片空化状态和静压力的变化关系不显著,而主要决定于转子的转速。通过进一步的分析可以得出,这种线谱是由于转子与定子之间的相互作用产生的,轴频及其谐波分量线谱的产生则是由于转子叶片间的不一致所造成的。泵喷单频声的存在严重影响其噪声性能,因而,这是一个很重要的问题。