倾转四旋翼跨介质飞行器水面垂直起飞策略研究

针对跨介质飞行器研究领域目前存在的任务负载小以及近水面介质属性强非线性变化导致的推力损失问题,设计了一种倾转四旋翼跨介质飞行器构型,具有较大的起飞负载,并建立了倾转四旋翼跨介质飞行器近水面静力学模型;在控制策略上,设计了水面垂直起飞流程以及切换控制策略,等效提高了跨介质飞行器近水面推重比,并进一步增强了倾转四旋翼跨介质...     

基于Fluent的无人滑行艇水动力特性研究

面对日益激烈的海上军事竞争,提高我国海军装备的技术水平有助于增强我国的海上作战能力,巩固我国海洋大国的地位。近年来,智能化和信息化技术被越来越多的应用到海上军事设备中,其中,无人滑行艇作为海上军事侦察的前沿设备成为了研究热点。本文以水面无人滑行艇为研究对象,基于Fluent水动力特性分析平台,研究了无人滑行艇的水动力特性,并进行数值模拟与仿真分析。本研究对改善水面无人滑行艇的流体动力学设计水平有一定指导意义。     

水面船舶运动姿态对声散射特性的影响北大核心CSCD

[目的]为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。[方法]基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。[结果]研究表明:横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。[结论]研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。     

规则波中无人艇回收的水动力性能分析

[目的]小艇回收过程是典型的多体相互干扰的动力学问题,纵向滑道回收是常用的回收方式,小艇在大船尾流中快速运动冲向艉部捕捉装置时,受到大船的尾流影响,可能会出现倾覆的危险。[方法]采用粘性流数值波浪水池、重叠网格和六自由度运动等技术,以DTMB 5415为母船,模拟Fridsma型无人滑行艇(以下简称无人艇)快速接近母船过程中的干扰运动。计算分析无人艇在波浪中的运动特性,在此基础上开展波浪中小艇在大船尾流中的运动仿真。[结果]计算结果与试验结果的比较表明计算方法可靠。仿真计算结果表明小艇受大船尾流的影响较为明显。[结论]当小艇运动方向不在大船尾流正中心时,小艇的纵倾和横摇会受到显著影响,最终导致倾覆现象的发生。     

基于数值方法的AUV近水面运动特性研究

为了明确水面回收AUV过程中其自身运动特性,以数值方法作为主要工具,通过控制变量法分析自由液面对AUV运动的影响。建立AUV的近水面运动方程,通过数值模拟PMM,得到AUV近水面运动方程所需的全部水动力系数。最后,通过基于运动方程和CFD方法的水面直航轨迹交叉对比,对所求得AUV近水面运动方程的准确性进行了验证。结果表明,所求得的AUV近水面运动方程准确性良好,可为AUV水面回收过程中的运动控制提供参考。     

水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究

水下近自由面爆炸现象涉及到爆轰气体产物、水以及空气等多种流体之间的相互作用过程，同时还伴随有明显的汽液两相之间的相变转换。为了理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合特性，引入基于相变转换的多相可压缩流体计算模型进行分析。采用一维激波管问题对计算模型的精确性和收敛性进行测试验证，在此基础上利用二维轴对称模型模拟近水面爆炸过程，获得冲击波传播、空化产生与溃灭、爆炸气泡运动等过程。爆炸气泡运动的计算结果与试验结果具有一致性。对于由水下爆炸引起的近自由面空化现象，数值模拟清晰展示了空化域的产生、发展及其溃灭的完整过程。空化域由开始的单连通域演化为涡环形态，并向外扩展直至完全溃灭。将蒸汽体积分数0.5‰作为空化域的识别判据时，计算获得的空化域的演化过程与试验结果较为一致。数值模拟结果还进一步揭示了空化域内部的一些重要的物理特性，本文的研究结果能够为水面舰艇结构的抗爆抗冲击防护研究提供技术支撑。     

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制（MPC）的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。     

带螺旋侧板的Spar平台涡激运动数值模拟

[目的]长时间持续的涡激运动可能会引起Spar平台锚泊系统疲劳甚至是平台结构损坏,因此,必须充分考虑到涡激运动的不利影响。[方法]利用自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU以及动网格方法,对Spar平台的涡激运动流场特性进行数值模拟。采用基于剪切输运应力方程的延时分离涡(SST-DDES)湍流模式,对带螺旋侧板的Spar平台的三维精细尾涡结构进行模拟,研究其在不同折合速度下的纵向、横向、艏摇运动响应以及运动轨迹。采用水平线性弹簧系统替代模拟平台系泊系统,并在研究中考虑平台不同自由度间的耦合作用对平台涡激运动的影响,然后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,分析带螺旋侧板的Spar平台横向和流向运动时间历程、频谱特性、锁定现象等,以揭示其涡激运动的内在机理。[结果]结果显示,加装螺旋侧板可有效减小Spar平台涡激运动响应幅值;采用自主开发的CFD求解器计算模拟海洋平台涡激运动问题具有良好的精度和可靠性。[结论]带螺旋侧板Spar平台涡激运动的数值模拟分析对Spar平台实际设计工作具有重要意义。     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

应用时间序列分析法对滑行艇运动短期预报研究

随着舰艇等海上作业平台向自动化、模块化和智能化的方向发展,无人水面舰艇的研究引起了越来越多的重视。所谓无人水面舰艇,是指将微型计算机、通信系统、流体动力、声呐遥感探测技术和智能技术等有机结合在一起的水面操作平台,它的性能好坏很大程度上取决于水面艇型的选择。本文以滑行艇为构造基础,系统阐述运用时间序列分析法对滑行艇运动短期预报的原理和算法。     

Obstacle avoidance of unmanned ship swarm based on virtual navigator and improved Hooke's law北大核心CSCD

[目的]针对无人船集群规避障碍物的问题,提出一种基于虚拟领航者和改进胡克定律的弹性集群编队控制方法。[方法]首先,根据障碍物的长和宽得到其外接椭圆,按照长宽比向外扩展出虚拟碰障区、避障反应区、自由航行区,实现水面避障物模型的简化;其次,基于虚拟领航者和改进胡克定律,对编队各成员之间、各成员虚拟领航者之间的相对距离和速度予以约束,采用坐标形式设置编队队形,构建弹性编队模型,并基于障碍物的环形斥力场来实现单无人船的避障,以及在弹性集群编队的组织下实现无人船集群的避障;然后,通过优化处理无人船的航行过程,消除编队及避障过程中的“徘徊”和“振荡”等现象,使各无人船的运动更加平滑;最后,运用Matlab软件对由4艘无人船组成的集群编队进行仿真实验。[结果]实验结果表明,编队可成功绕过设置的所有障碍物,验证了所提方法的有效性和可行性。[结论]该方法可实现无人船集群对水面障碍物的规避,具备在一定复杂环境下的通过能力,可为无人船集群避障的应用及研究提供参考。     

多约束条件下无人艇和无人机集群协同航迹规划

[目的]为实现海上无人集群在执行任务过程中的安全航行和通信保持,开展无人艇(USV)和无人机(UAV)集群协同航迹规划问题的研究。[方法]采用禁入和禁出地理围栏进行场景建模,将规避威胁和障碍问题转化为地理围栏约束。针对平台之间的碰撞冲突和通信连接问题,提出基于时序检测的碰撞冲突和通信保持约束判断准则。以集群平均航行时间为航迹优化函数,将多约束条件转化为惩罚函数,采用自适应差分进化算法进行优化求解。[结果]仿真结果表明,所提方法能够在威胁和障碍环境中保持无人艇和无人机集群的安全航行和通信连接,并在满足多约束的条件下实现集群平均航行时间最短。[结论]该方法可用于海上无人集群面对威胁和障碍环境时的离线航迹规划,具有一定的应用价值。     

水下无人航行器外挂吊舱水动力试验及操纵性分析

在循环水槽开展了某带吊舱水下无人航行器的水动力试验,绘制出了航行器阻力曲线,得到了与操纵性相关的主要水动力系数,在此基础上对水下无人航行器的运动稳定性进行了分析,并与不带吊舱情况下的水下无人航行器操纵性进行了比较。试验结果可为水下无人航行器推进系统设计及运动控制与仿真提供依据。     

基于精确罚函数的无人艇航迹规划和自动避障算法

[目的]对于已知多个障碍物的局部水域,如何规划安全高效的无人艇(USV)运动航迹,是当前的研究热点。[方法]首先,采用简洁有效的圆形包络面和凸四边形包络面处理障碍物区域,并将避障问题转化为时间最优控制问题中的状态不等式约束;然后,利用控制参数化和时间尺度变换,将时间最优控制问题转化为最优参数选择问题;最后,对于由多个障碍物带来的多个连续状态不等式约束,采用精确罚函数法将所有的状态约束都附加到目标函数中,从而构建适用于任何有效优化技术予以求解的非线性优化问题。[结果]数值仿真结果表明,该算法所规划的航迹能成功规避水域中的所有障碍物,同时符合无人艇的运动特性。[结论]研究成果可为无人艇航迹规划的避障问题提供参考。     

气垫船垫升推进系统控制仿真

以某型气垫船的动力系统为对象,建立了垫升推进系统的数学模型及船体的运动学模型,并以SIMULINK为平台对该系统进行了仿真建模[1],在此基础上,通过对系统动态特性的分析,对该系统进行了简单PID控制器和串级PID控制器的设计,并分别对两类控制系统进行了动态仿真和比较分析.仿真结果表明,串级PID控制系统较简单PID控制系统具有更为优越的动态性能,能较好地保证气垫船的垫态稳定性,以满足工程要求.     

船舶复合材料螺旋桨模型试验的特殊性分析

[目的]船舶复合材料螺旋桨比传统金属合金螺旋桨刚度低,在流固耦合作用下桨叶变形会对水动力和噪声性能带来显著影响,在开展复合材料螺旋桨模型试验时需予以特殊考虑。[方法]采用量纲分析方法,建立复合材料螺旋桨水动力与噪声性能的特殊相似关系及其换算方法。根据复合材料螺旋桨模型加工实物及其作用特点,分析可满足模型试验要求的特殊测试技术。[结果]结果表明,复合材料螺旋桨模型试验在满足金属合金螺旋桨模型试验的相似关系外,仍需满足桨叶水动力变形的相似关系。[结论]不同于传统金属合金螺旋桨,复合材料螺旋桨模型试验需获取螺旋桨的静态型值、力学性能和桨叶动态变形等信息,以此选择合理的螺旋桨试验模型缩比尺度及其材料;同时,试验中除要求保持模型与实尺度螺旋桨的无量纲进速系数相同外,还需满足刚度特性及叶梢马赫数的组合相似度。     

舰船液力偶合器稳态、动态性能研究

分析了舰船液力偶合器试验数据作为准稳态数学模型的基本数据源时的局限性，指出了人工神经网络方法解决该问题的具体思路。在给出了液力偶合器人工神经网络数学模型的具体表现形态后，文章着重介绍了液力偶合器对舰船推进系统动态特性的影响，它们是：①不同充液规律和充液率对液力偶合器接合过程动态特性的影响；②不同螺旋桨负载对液力偶合器接合过程动态特性的影响；③舰船正常加速过硅发动机下同加载速度对液力偶合器动态特性的影响。最后，文章介绍了正常航行(四机双桨)稳态工况时各柴油机转速下液力偶合器滑差的变化及其物理意义。     

回汽控制对舰用蒸汽动力系统的影响

[目的]船用蒸汽动力系统在紧急减速或换向操作过程中,回汽控制技术是缓解锅炉内锅筒超压问题的有效手段,需对其带来的影响进行研究.[方法]建立增压锅炉、主汽轮机和螺旋桨等设备的蒸汽动力系统仿真模型,针对大型舰船紧急减速过程和换向操作过程中快关阀无回汽、快关阀有回汽、慢关阀无回汽这3种工况,开展回汽控制特性的仿真对比分析.[...     

A novel tracking control approach for unmanned underwater vehicles based on bio-inspired neurodynamics

A novel hybrid control approach is presented for trajectory tracking control of unmanned underwater vehicles in this paper. The kinematic and dynamic controllers are integrated by the proposed control strategy. The paper has two objectives. Firstly, an improved backstep method is proposed to generate the virtual velocity using a bio-inspired neurodynamics model in the kinematic controller. The bio-inspired neurodynamics model is intended to smooth the virtual velocity output to avoid speed jumps of the unmanned underwater vehicle caused by tracking errors and to meet the thruster control constraints. Secondly, a new sliding-mode method is added to the dynamic controller, which is robust against parameter inaccuracy and disturbances. The combined kinematic–dynamic control law is applied to the trajectory tracking problem of two different types of unmanned underwater vehicle. Finally, simulation results illustrate the performance of the proposed controller.     

基于流固耦合的舵桨水动力性能研究和强度校核

文章创新地提出了将流固耦合计算方法应用于对舵桨的水动力性能和强度校核的联立求解中。应用此方法,对舵桨在不同航速下的水动力性能进行了研究,比较了不同航速下舵桨产生的推力和扭矩,总结出桨叶推力、扭矩、敞水效率随进速变化的规律;同时又以流体计算的结果作为强度计算的载荷条件,对舵桨强度进行校核,从而保证了舵桨满足强度需求。流固耦合计算方法的使用为舵桨性能研究提供了一套全新的方法。