潜艇双拖系统运动仿真研究

建立拖曳系统运动方程，在时间和空间上作中心差分数值离散平衡方程式，编制拖曳系统运动计算程序。在拖缆尾端自由边界条件中，将尾绳阻力作为自由尾端点的张力，改善了因尾自由端张力为零引起的差分方程奇异性，使仿真计算更加稳定。用潜艇标准操纵性运动方程仿真计算其在垂直面内的操纵运动，将拖点的运动速度转换到拖曳系统局部坐标系中，以此作为拖曳系统的边界条件。仿真计算了潜艇垂直面内两种操舵控制模式下潜浮机动时的双拖系统运动。根据潜艇双拖系统运动仿真计算结果，绘制了双拖系统相交界限图。     

拖曳系统对舰船操纵性影响计算

对拖曳系统的仿真计算与船舶操纵运动仿真计算同时进行，并经坐标变换将拖点张力转换到随船运动坐标系中，从而考虑了拖曳系统运动和船舶操纵运动之间的相互影响，建立相应的数学模型，并将拖曳系统作为外力处理加入到船舶操纵运动数学模型中去，数值预报了在拖曳系统作用下的某双浆双舵方尾船的操纵性能，并对结果作了讨论。     

沿底定深拖曳系统运动仿真

主要研究分析沿底定深拖曳系统的拖体机动性,通过建立沿底定深拖曳系统的数学模型,采用运动仿真计算分析的方法,验证了沿底定深拖曳系统有足够的定深能力和避障能力,但在实际应用中还需要采取辅助手段来提高避障高度.     

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,...     

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。     

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。     

拖体拖曳稳态纵倾角计算仿真及试验

无动力拖体拖曳过程中,通常对拖体姿态稳定性及稳态角度要求较高。文章给出无动力拖体拖曳过程中稳态纵倾角计算方程,为拖体结构设计提供理论依据,并提出一种动力学及流体力学联合仿真方法,对拖体拖曳稳态纵倾角进行仿真计算。将仿真结果与多次湖上试验的数据进行对比,证明了仿真计算方案可行,且准确性较高,这对今后产品的结构设计、试验方案和设备使用有一定的指导意义。     

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。     

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。     

水下拖体和拖缆运动模型研究探讨

水下拖体运动研究是水下拖曳系统研制的重要内容。文章结合工程实际,基于Newton-Euler方法建立了水下拖体的运动模型,基于有限差分法建立了拖缆的运动模型,在此基础上结合拖缆运动的边界条件建立了系统的运动模型,并给出了相应的仿真算例。从仿真结果可以看出,通过该运动模型,可以很好地研究水下拖体受拖船干扰下的运动情况。该模型的建立对水下拖曳系统的研制来说有重大的参考价值。     

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。     

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。     

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.     

基于CFD的水下拖曳体艉部流场仿真

水下拖曳体的艉部线型是决定其水动力性能的重要特征之一,良好的艉部线型对减小拖曳体的形状阻力系数,提高拖曳航速,减小拖缆的张力等都有积极意义。选用带十字尾翼的水下拖曳体作为研究对象,应用k-ε模型对其艉部流场特性进行精细分析,分析静压力系数Cp沿拖曳体长度方向的分布,并对水下拖曳体与尾翼交接部上游马蹄涡流动的产生及发展过程进行计算,得出拐角区的流线及流场。计算和实验结果表明,所采用的计算模型和方法合理,可在此基础上应用到其他水下拖曳体的外形优化设计中。     

拖船操纵运动与水下拖曳列阵的耦合运动分析

建立了拖船操纵运动与水下拖曳列阵的三维非线性数学模型,求解了在脐带非线性缆力作用下的运动方程,模拟了拖曳系统在几种典型状态下其缆索的形态变化,以及列阵张力变化。     

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。     

拖曳式通信浮标对潜艇隐蔽性的影响

使用通信浮标是解决潜艇水下安全通信的重要手段之一。本文对拖曳式通信浮标对潜艇隐蔽性的影响进行研究,对机载雷达对潜艇的发现率进行建模仿真,并实例分析装备拖曳式通信浮标后潜艇隐蔽性的变化,获得了有益的效果。     

大尺度水下综合试验模型拖曳运动特性研究

大尺度水下综合试验模型采用拖缆实现加、减速过程,为了保证其运行稳定性和安全性,基于简化的刚体-弹性体振动模型,分析水下拖曳航行体系统的特性,给出合适的拖缆预紧力;并分析试验模型运动特性,给出保证试验过程中的运动稳定性和安全性的操舵限制条件。