辨识航行体水动力参数的智能方法

航行体水动力参数辨识最常用的方法是采用极大似然准则和牛顿-拉夫逊算法.但是牛顿-拉夫逊算法需要计算复杂的导数矩阵及其逆矩阵,而且对初值非常敏感.文章利用最小二乘准则结合智能优化算法对航行体水动力参数进行了辨识仿真,仿真结果表明新方法要好于常用的方法,在不同噪声水平下辨识结果的误差小于7%,而且以往无法辨识的附加质量也能辨识,同时新方法对初值几乎没有要求,也无须计算导数,极大地简化了辨识计算,有较大的工程应用价值.     

水下航行器模型参数辨识技术

采用系统辨识技术识别水下航行器模型参数,是修正理论计算或船模水动力试验结果,实现精确数学建模的有效手段,对水下航行器总体性能优化、操纵性预报、控制器设计等方面都具有重要意义。重点对基于最小二乘法、人工智能和卡尔曼滤波的3种典型参数辨识方法进行分述,并对相关领域取得的成果、存在的问题和研究热点进行系统梳理。最后,对系统辨识技术在水下航行器模型参数辨识应用领域的发展趋势进行展望。     

内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。     

基于支持向量机的水下航行器操纵运动在线建模

本文对水下航行器的操纵运动在线建模进行研究。使用增量式最小二乘法辨识得到了 MARIUS AUV的水动力导数。为了提高辨识精度,使用积分型辨识样本结构进行输入输出样本对的构造。基于约束模试验获取的水动力导数,进行操纵运动仿真,得到纵向速度、横向速度、摇首角速度和舵角等样本参数。通过试验水动力导数和辨识得到的水动力导数对比,表明辨识算法的有效性。该研究对水下航行器操纵运动的在线建模和控制应用具有重要意义。     

基于支持向量机的水下航行器操纵运动在线建模

本文对水下航行器的操纵运动在线建模进行研究。使用增量式最小二乘法辨识得到了MARIUS AUV的水动力导数。为了提高辨识精度,使用积分型辨识样本结构进行输入输出样本对的构造。基于约束模试验获取的水动力导数,进行操纵运动仿真,得到纵向速度、横向速度、摇首角速度和舵角等样本参数。通过试验水动力导数和辨识得到的水动力导数对比,表明辨识算法的有效性。该研究对水下航行器操纵运动的在线建模和控制应用具有重要意义。     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

水下航行体近海底运动操纵性研究

针对水下航行体近海底航行时的特点，首先建立了水下航行体的操纵运动数学模型，分别从水平面和垂直面两方面来考虑近海底对操纵运动水动力的影响，进而数值模拟和分析了水下航行体在近海底运动时的操纵性能变化规律，计算结果表明近海底航行使得其机动性减弱而运动稳定性增强。     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

针对鱼雷型无人水下航行器航行过程中外界环境干扰复杂,航行体系统内部干扰严重的特殊问题,并同时考虑系统参数剧烈变化造成的系统不确定性,设计纵向鲁棒控制器。该控制器采用 PID控制器作为标称控制器控制标称受控对象。利用非线性状态观测器估计受控系统中的不确定性和外界环境干扰,并通过补偿控制律补偿,使整个闭环控制系统具有鲁棒性。将此方法应用于鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器的设计,可大大提高鱼雷型无人水下航行器航行过程中对干扰的抑制和对不确定性的适应能力,保证鱼雷型无人水下航行器在整个航行过程中的姿态稳定,以保证航行任务的完成。     

基于水声传感器网络的目标纯方位运动分析

研究了基于水声传感器网络的目标纯方位运动分析原理及方法,建立了基于水声传感器网络的目标运动分析模型。在此基础上,讨论了模型中多维非线性估计问题,提出了一种基于传感器网络新的水下目标运动分析方法。该方法采用改进的粒子滤波EKF-PF(扩展卡尔曼-粒子滤波)算法实现,并与传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)和粒子滤波(PF)算法进行了比较。通过Monte Carlo仿真分析,表明基于水声传感器网络的目标运动分析方法充分利用了网络的优势和当前测量信息。这种方法对水下目标运动状态估计时,不仅降低了计算量而且表现出较高的估计精度。所得结论为水下传感器网络进行目标被动定位提供了参考。     

滑动控制在水下热动力系统中的应用

由于水下开式循环热动力系统的强烈非线性特征及航行器的姿态变化，采用开环方式或线性化控制方法难以满足新型水下武器的战术要求。本文对水下开式循环热力学系统做了全面分析，充分利用滑动控制的强鲁棒性，完成了系统模型的简化及滑动控制律的设计，并瘘顾了中间状态量的变化情况。     

水下热动力系统变参数实时混合仿真的原理与方法

针对水下开式循环热动力系统的强烈非线性特征及航行器的姿态变化 ,提出了一种变参数实时混合仿真系统的原理和方法。该实时混合仿真系统能够适应水下热动力系统的整个工作范围 ,可有效地用于检验热动力系统各部件之间的适配性能 ,并在试验中优化系统的结构参数。     

基于模糊控制的潜器悬停系统

潜器水下悬停是一个非线性过程,随潜器状态及航行环境的不同而有很大变化。简要论述了潜器水下悬停的概念及对潜器的意义,研究分析了潜器水下悬停运动的数学模型及干扰力数学模型,将模糊控制技术引入潜器水下悬停控制过程中,通过仿真与传统的控制方式比较证明模糊控制具有的控制优势。     

基于裂纹缺陷的水下耐压壳体结构强度与稳定性研究

本文针对初始裂纹缺陷下的水下耐压壳体结构强度与稳定性失效问题。首先建立CT裂纹扩展试件的仿真模型,通过与试验结果比对验证裂纹仿真模型的有效性。随后建立无缺陷状态下的水下耐压结构有限元模型,对其强度与稳定性进行校核。在此基础上引入裂纹缺陷,建立非线性耐压结构强度与稳定性分析模型,研究不同裂纹缺陷参数对于结构强度与稳定性的影响规律,为结构裂纹扩展与寿命问题的研究提供技术支撑。     

基于双树复小波的被动目标特征提取方法研究

针对水下目标辐射噪声特征提取困难的问题,提出一种基于双树复小波变换的特征提取方法。首先,采用一种改进的小波阈值去噪方法去除水下目标辐射噪声信号中的噪声成分,该方法可以获得优于经典小波阈值去噪方法的结果;其次,在特征提取过程中,采用具有近似平移不变性的双树复小波变换,该方法能够克服信号时移带来的影响,得到稳定的目标特征向量。仿真试验和实航数据处理结果表明,本文方法提取的目标特征向量比使用离散小波变换提取的结果更稳定。     

水下钻孔爆破不同起爆方式的数值模拟

以连续介质力学和动力非线性有限元理论为基础,推导了炸药、岩石和水的ALE控制方程,采用多物质的ALE算法模拟了实际工程水下岩石钻孔爆破装药中不同位置起爆时爆炸产生的应力波在岩石介质中的传播过程。模拟结果表明：无论以何种方式起爆,端部效应现象始终存在,都会影响水下钻孔爆破上部岩石破碎质量;岩石与水接触面处由于反射波作用,提高了岩石爆破质量;两点起爆效果比单点起爆好,距两端1/4处同时起爆药包的爆破效果最好。研究结果可为水下钻孔爆破工程应用和安全施工提供参考。     

基于多波束点云的水下柱桩及桩间距高精度确定方法

受海水介质环境复杂、桩体倾斜以及测量误差大的影响,水下圆柱桩位置的高精度、低成本、高效率确定一直是港口工程建设中的一个难点。为此,提出了一种基于多波束点云的水下圆柱桩及桩间距高精度确定方法。该方法首先基于多波束测量实现桩体及海床点云数据低成本、高效获取。考虑桩体属性信息、点云法向量和高程等几何信息,利用一种综合阈值分割方法实现了桩体点云的有效提取。还提出了顾及桩体形态、测量误差的桩体中心位置综合确定方法,实现桩体相对位置和桩间距的高精度确定。该方法得到了实际工程验证,取得了优于5 cm的桩体相对位置和桩间距确定精度。     

水下爆炸及随机外力下破损舰船的倾覆概率分析

探讨了水下爆炸载荷和随机风浪联合作用下破损舰船的运动及其倾覆概率的计算.将爆炸载荷作用及平均风扰动力矩处理为定常横倾力矩,建立了爆炸载荷和随机风浪中舰船运动的非线性微分方程.结合扩维技巧,将横摇方程转化为五维Ito随机微分方程,应用Gauss-Legendre路径积分法给出随机扰动为白噪声时横摇角度的概率密度函数随时间的演变,按照现有的倾覆准则给出预报一定装药量下舰船倾覆概率的表达式.通过算例,计算了破损舰船不同装药量下不同时刻的倾覆概率,分析不同装药量对倾覆概率的影响.研究表明,此方法简便可行,并能在数量上预报破损舰船在水下爆炸及随机风浪下的倾覆概率,为进一步研究舰船倾覆及稳性横准提供有益的参考.