母船垂荡运动下拖缆响应研究

基于弯矩平衡方程和有限元离散单元法建立拖缆离散动力学模型,通过对拖缆离散方程组线性化处理,将非线性动力学方程转化为关于求解角度的线性问题。设定缆绳初始形态,通过时间迭代对方程求解得到拖曳系统稳定运动形态。母船在海面会发生升沉运动,由于母船垂荡运动对水下拖缆的耦合影响,拖曳系统稳定形态受到破坏,拖缆受力发生改变,系统可能处于危险状态。考虑母船垂荡运动的耦合效应,通过MATLAB对拖曳系统进行仿真计算,得到拖缆的运动参数和受力响应情况,对拖曳系统在实际作业中提供参考。     

海洋缆索对水下航行器的动态响应

海洋水下拖曳系统在海洋资源开发的过程中发挥着越来越重要的作用。海洋拖缆与水下拖体之间的作用相互影响、相互耦合。尤其是当水下航行器质量较小时,这种影响不可忽略。拖曳缆索的形态变化将直接影响水下航行器的运行轨迹。通过对缆索动态偏微分方程在时间上和空间上离散化处理,将无法确定缆索单元长度的问题转化为缆索单元可确定问题,并采用有限差分法进行了求解,得到了航行器直航状态下缆索的几何形态图和回转状态时缆索的几何形态图。通过将结果与实验值进行对比分析,发现在误差允许范围内(10%),这说明建立的缆索动态模型对航行器运动状态进行预测是可行的。     

双船拖曳系统运动响应研究

对双船拖曳系统的动力学运动特性和受力特性进行研究.通过建立含有阻尼模型的凝集参数方法,求解双船拖曳缆系统的动力学计算模型;将比例阻尼模型加入该动力学模型中,对放缆长度、拖曳速度、双船间距和船舶在波浪中的运动响应等进行计算对比分析,并根据所得结果验证该模型的有效性.通过对具有显著阻尼的双船宽面拖曳系统进行运动学响应计算,...     

基于LightGBM的拖曳系统动力响应预报方法

针对传统数值仿真计算方法耗时长、占用计算机资源多等缺点,提出基于LightGBM算法的拖曳系统动力响应进行评估的回归预测模型,以已有的OrcaFlex数值模拟得到的数据为样本,以拖曳系统上的海洋环境条件、拖船航速和下放缆长为特征,以动力响应为目标,引入LightGBM算法,对拖曳缆顶端张力最大值等动力响应进行预测分析。与传统数值模拟方法相比,LightGBM算法在保证结果准确性的同时大幅度提高了计算效率。通过与随机森林（RF）、极限梯度提升（XGBoost）算法相比,其准确度和计算效率的表现更好。最后提出了贝叶斯参数优化的LightGBM算法,准确度进一步提高,为提前采取措施保障拖曳系统的作业安全提供了一条高效的技术途径,同时为建立拖曳系统数字孪生体提供了有力的技术支撑。     

不同模式下拖缆对水下拖体运动姿态的影响研究

水下拖曳体依据其工作模式的不同,可以分为两种:一种是自身没有驱动力,由拖船或是潜艇带动进行拖曳;另一种是拖曳体自身具有驱动力使其自由航行,可看作AUV。在水下拖曳体工作的过程中,与其相连的拖缆在拖体不同的工作模式下会有不同的响应,而拖缆的这种响应又会对与其相连的拖体造成影响。为研究拖缆对水下拖体的影响,结合某拖曳系统的具体参数,运用大型动态仿真软件OrcaFlex建立了潜艇水下360°回转过程中拖曳系统的动力学仿真模型和拖体自航模式下的动力学仿真模型。通过改变水动力系数、拖速、拖缆参数及回转半径等,探究了不同参数对水下拖体的影响,得到了一些比较有价值的结论,可对具体工程有一定的指导作用。     

拖船拖钩系统局部强度有限元分析

拖船作为一种工程船舶,主要对没有动力或不宜使用动力的海上设施进行拖曳作业。拖船作业方式按水域可分为港口拖曳和开放水域拖曳,开放水域拖曳又可分为应急拖曳和正常拖曳。拖船在拖曳时拖钩系统承受很大的作用力,因此拖钩系统结构局部强度是拖船设计公司所关注的,然而,通过计算可以发现,拖曳系统下方的甲板纵桁在拖曳过程中具有较高的应力水平,因此对拖船甲板纵桁的合理设计也至关重要。本文对正常拖曳情况下拖船缆柱、缆桩和T型材甲板纵桁进行强度分析,并对响应结构进行结构优化,从而使拖钩系统强度满足规范要求。     

一种水下拖曳体的运动特性模拟研究

为了进一步提升深海阵列式拖曳系统的深度调节性能,满足阵列式拖曳系统不同深度作业的需求,设计了一种通过内部调节机构来改变运动姿态与深度变化的水下拖曳体,并对这一水下拖曳体的水动力学进行数值计算。在研究其水动力学相关参数基础上,分析水下拖曳体重心位置变化与运动姿态的关系,验证内部调节机构的可行性。仿真结果表明,拖曳体的设计满足使用要求,不同俯仰角下水下拖曳体深度变化的时间有所不同。在俯仰角40°左右范围内,拖曳体的升力系数最大,并呈现较好的深度调节运动姿态。     

块体形状对水流拖曳力的影响

在计算块体受到的水流拖曳力时,常借鉴针对球体所提出的公式,然而它并不能客观地反映出块体形状对拖曳力产生的影响。文中将块体形状概化为长方体,通过水槽试验测量了水流作用下不同尺度的大颗粒块体受到的水平拖曳力,研究了块体形状对水流拖曳力的影响,并提出了考虑块体形状影响的拖曳力计算公式。     

船舶拖曳潜体回转和收放作业仿真北大核心CSCD

为了对潜体拖曳系统的运动进行预判,并能快速且正确地得到船舶拖曳的潜体在水下不同时刻的位置和缆绳形态图,采用改进的集中质量法对拖曳系统进行数学建模,模拟水下拖曳系统不同工作状态下的运动形态,并对潜体的回转作业和收放作业进行简化。结果显示:水下拖曳潜体做回转运动时,拖曳潜体系统形成闭合的圆形回路;做收放运动时,拖曳系统随着时间的增加长度逐渐增加,从而完成潜体的收放操作。通过对海上船体拖曳系统运动规律的预测,以及对拖体拖曳系统的直航、回转和收放工况的研究,得到了拖曳系统的缆形的实时分布,以及潜深和拖曳潜体系统最大拉力之间的大小对应关系。     

计及空气介质的水下拖曳系统运动模型及其数值计算

为进一步提高水下拖曳系统运动仿真的准确性,本文建立了计及空气介质的拖曳系统运动模型,并提出了改进的有限差分方法来保证数值计算时的稳定性.仿真和试验表明,考虑空气介质后将进一步改善拖曳张力和缆形的计算精度,以及提高对双拖安全性分析的准确性.     

水下拖曳系统水动力特性的计算流体力学分析

提出了一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由Ablow andSchechter模型给出,Gertler and Hargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合,从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。在研究中,拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近,每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体,或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果的比较表明,所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。利用所提出的水动力模型,对华南理工大学提出的自主稳定可控制水下拖曳体在实际海况下的数值模拟结果显示,所分析的拖曳体具有良好的运动与姿态稳定性,是一种值得开发研究的新型水下拖曳体。     

海洋拖曳系统的船/缆/体耦合模型研究

为进一步提高海洋拖曳系统在不同情况下运动响应的预测精度,将拖曳母船、拖缆和拖曳体三者视为一个相互作用的整体,利用其耦合边界条件,将拖缆顶端和底端的张力及其产生的力矩,分别与船舶操纵性运动方程(MMG模型)和拖体六自由度运动方程相结合,利用拖缆的有限差分方程,建立了船/缆/体三者耦合模型,进而采用数值计算方法,对比分析了该模型与常规算法。结果表明,该模型考虑船/缆/体三者的耦合影响,可更加准确全面地反映拖曳母船的速度、旋回半径、横摇角等操纵性特征以及拖曳体的深度、姿态等信息所受到的影响,从而为准确预报海洋拖曳系统的运动响应提供更为直观、科学的理论依据。     

鱼雷拖曳线列阵及其目标方位跟踪算法研究

使用拖曳线列阵可以有效提高自导鱼雷远程搜索目标的能力,而能否精确跟踪目标方位将直接影响到鱼雷的实战效果。本文首先研究了一种鱼雷用拖曳线列阵自导系统的组成原理及实现方法,然后研究了一种子空间跟踪算法,并在此基础上提出了一种自适应Root-MUSIC算法,该算法可用于对时变的信号波达方向进行实时跟踪估计。仿真计算结果验证了该算法具有很好的跟踪效果。     

拖曳系统运动传递计算

由母船、拖缆和拖体构成的拖曳系统,在拖航作业中,母船受风浪扰动发生升沉和纵摇运动,水面扰动沿缆传递至拖体,影响探测设备性能。文中研究的合理简化的母船波浪运动预报模型、结合已有的拖缆动力学计算模型耦合拖体空间运动模型,构造衔接条件和转换关系式,建立较为完整的水下拖曳系统运动传递模型。编制相应计算程序,计算了二段式拖曳方式对扰动的传递,归纳其扰动传递特性。表明该模型可应用于拖曳运动稳定的设计分析。     

水下拖缆抛物构型分析研究(英文)

This article discusses the dynamic state analysis of underwater towed-cable when tow-ship changes its speed in a direction making parabolic profile path. A three-dimensional model of underwater towed system is studied. The established governing equations for the system have been solved using the central implicit finite-difference method. The obtained difference non-linear coupled equations are solved by Newton's method and satisfactory results were achieved. The solution of this problem has practical importance in the estimation of dynamic loading and motion, and hence it is directly applicable to the enhancement of safety and the effectiveness of the offshore activities.     

Analyzing parabolic profile path for underwater towed-cable

This article discusses the dynamic state analysis of underwater towed-cable when tow-ship changes its speed in a direction making parabolic profile path. A three-dimensional model of underwater towed system is studied. The established governing equations for the system have been solved using the central implicit finite-difference method. The obtained difference non-linear coupled equations are solved by Newton＇s method and satisfactory results were achieved. The solution of this problem has practical importance in the estimation of dynamic loading and motion, and hence it is directly applicable to the enhancement of safety and the effectiveness of the offshore activities.     

深海拖曳系统自稳定二级拖体姿态控制研究

二级深拖系统具有可控性强、母船扰动弱等优点,是重要的海洋探测平台。在实际工作中,二级拖体姿态稳定是保证探测数据准确的基本前提。本文以具有自主调节功能的二级拖体为例,对其姿态控制进行研究。首先建立了二级拖缆的“弹簧——阻尼”模型,并在此基础上建立了二级深拖系统的数学模型。其次根据该系统具有非线性、时变性等特点,设计了具有参数自修正功能的模糊自适应PID控制器,以实现在不同工况下对二级拖体的姿态进行控制。仿真结果表明,未加载控制器时,海况变化对拖体姿态有显著影响,其俯仰角和横滚角均会发生大范围波动。加载模糊自适应PID控制器后,拖体通过自主调节,能够使姿态波动控制在较小范围,从而满足工作要求,验证了拖缆数学模型的正确性和所采用的控制方法的可行性。     

水下拖体在回转操纵中的运动仿真模拟

水下拖曳系统为各种内河航道工程,近海港口工程前期的勘探活动提供了一种有效途径,当要求对某个目标进行详细探测时,需要拖船进行回转机动操纵,因此拖体运动轨迹准确位置的预报关系到能否完成对目标的探测。文章采用凝集质量法建立水下缆-体系统模型,编制计算机程序,程序模拟了不同回转半径、不同拖速回转操纵下的拖船与拖体运动轨迹,分析了回转操纵中影响拖体稳态及拖体深度的参数。同时,计算机程序仿真模拟了一个"8"字形拖曳操纵,仿真算例与相关文献进行比较,结果表明此计算机程序具有一定工程实用价值。