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。     

二级深拖系统的回转运动特性

为了研究母船回转过程中拖体运动规律和拖缆构形的变化情况,采用凝集质量法建立二级深拖系统数学模型,计算分析母船不同回转参数下拖体运动状态的变化规律,得到拖缆的瞬态和稳态构形图。仿真结果表明,在360°稳态回转和360°单圈回转条件下,母船回转半径和拖曳速度均对一级拖体和二级拖体的深度变化及稳态特性有显著影响。母船小半径、大速度回转时,两级拖体的回转半径和深度变化较大,应予以特别关注。     

二级深拖系统的回转运动特性

相对于一级深拖系统,二级深拖系统具有良好升沉补偿功能,并且较易对拖体进行定深或定高控制。在实际工作中,母船经常需要根据探测情进行回转机动。为了研究母船回转过程中拖体运动规律和拖缆构形的变化情况,采用凝集质量法建立了二级深拖系统的数学模型,计算分析了母船不同回转参数下拖体运动状态的变化规律,得到了拖缆的瞬态和稳态构形图。仿真结果表明,在360°稳态回转和360°单圈回转条件下,母船回转半径、拖曳速度均对一级拖体和二级拖体的深度变化以及稳态特性有显著影响。母船小半径大速度回转时,两级拖体的回转半径和深度变化较大,应予以特别关注。     

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。     

拖曳声纳与舰船运动性能影响研究概述

本文的主要目的是概述海上拖曳系统的一般模型，本模型既包含拖体也包含拖缆和拖船。拖体处理为六自由度运动刚体模型。拖缆处理为空间三维非均质系统。拖船则处理为四自由度(进退、横移、偏航、横倾)非线性操纵运动。模型完全是一般的，可以在直角坐标系下预报拖曳系统三维操纵运动性能。包括进行直航和逼转拖曳运动模拟。     

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。     

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。     

近水面拖曳浮标测试系统运动特性研究

通信浮标能提高潜艇通信性能,因此提出一种二级拖曳通信浮标,并设计一种近水面拖曳浮标测试平台。该平台由拖船与升沉补偿装置、拖体与拖缆等组成,可以模拟潜艇运动,用以测试拖曳浮标。为研究测试平台的动力学特性,首先建立测试平台和被测对象的动力学模型及其仿真模型,模型涵盖非线性波浪力计算、柔性脐带缆建模、深度模糊控制、升沉补偿装置以及多体刚柔耦合等,随后基于试验得到的被测对象水动力学参数,对测试平台在不同拖曳速度和拖缆长度下的拖曳试验进行仿真研究。仿真结果表明：拖曳速度增大后,一级拖体稳定深度可减小30%,深度波动幅度无明显变化,而被测对象的稳定深度增加20%以上,深度波动幅度可减小80%以上;一级拖缆的长度增加对一级拖体和被测对象的深度影响可忽略不计;二级拖缆长度的增加会导致一级拖体的深度小幅度增加,但不会影响被测对象的稳定深度及其波动幅度。研究结果可为潜艇拖曳系统测试平台的设计与试验提供理论参考。     

拖航系统操纵运动仿真

采用MMG分离式船舶运动数学模型以及拖缆的悬链线模型,构建了由拖船——拖缆——被拖船组成的拖航系统操纵运动模型。通过数值计算,对该系统进行了操纵运动模拟仿真。主要的仿真项目包括拖航系统改变航向和受到小扰动时的运动。在此基础上研究了影响拖航系统航行性能的诸多因素,这些因素主要有:拖缆的长度、拖航速度、被拖船的拖航点位置。针对浅水效应给予拖航系统的影响以及通过改变PD控制参数改善拖航系统航向稳定性进行的初步探讨,得到了一系列有益的结论。     

拖体深度影响因素分析

水下拖曳系统在海洋环境与海洋资源调查以及国防建设中有着特殊的用途,在实际工作时,由于不同的需求需调整拖体的定深。调整拖曳深度的方法主要有调整航速、调整动端力和收放拖缆3种方式。本文在建立缆索系统数学模型的基础上,在不同航速下对调整动端力、收放拖缆2种方法进行仿真计算,分析不同情况下拖体定深调整的方法。结论认为在低航速下收放拖缆方法对拖体深度影响较为明显,高航速下调整动端力对拖体深度调整能力较强。     

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。     

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。     

船舶拖航系统仿真研究

目前多船辅助定位的拖航作业主要依靠船长的经验,尚无一套有效的控制手段。因此在多船协调作业时,很难实现准确的多船辅助定位。探讨多船辅助定位的拖航系统操纵性的计算方法,对船舶拖航作业系统进行操纵运动的模拟具有一定的现实意义。以MMG分离式操纵性数学模型为基础,结合拖缆的悬链线模型,在考虑各种环境因素的条件下,建立了一个比较完整的拖航系统的操纵性数学模型,通过编制的可视化仿真程序,真实模拟了拖航系统在风、浪、流以及浅水域中的三自由度的操纵运动。     

波流联合作用下多分枝拖曳线列阵回转过程的动力学分析

参考某海洋地震多分枝拖曳线列阵具体参数和该拖船的海浪响应幅值算子(RAO),结合该船工作时的具体过程,利用大型水动力分析软件Orca Flex建立了多分枝线列阵回转过程时的动力学分析简化模型,实现了对多分枝拖曳线列阵在回转过程中的动力学分析,得到了波流联合作用下,各个拖缆的张力和曲率沿缆长方向的变化规律及各个缆索拖曳点End A和拖曳缆索拖曳尾端End B的张力值在时域上的变化图像。结合计算结果,给出了多分枝拖曳线列阵在回转过程中的优化设计方案。     

船—缆拖曳系统操纵性能分析

为获取拖船在拖曳时的操纵性的变化规律。文章采用MMG船舶运动数学模型的建模思想,建立了六自由度拖船运动数学模型,采用有限差分法,建立了拖缆模型。然后,在此基础上建立将船-缆耦合起来以形成整个系统的运动数学模型,并分别采用龙格库塔方法对船舶运动积分求解,采用后向差分法对拖缆运动进行求解。通过对比仿真计算分析了水面拖船在拖带过程中的加速性能、旋回性能及偏转抑制性能。仿真结果表明在拖船与拖缆的相互影响下,拖船的加速性能和旋回性能有所下降而偏转抑制性能有所增强。     

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。