水下拖曳缆索二维几何形态的研究

对拖缆二维几何形态的研究,是拖曳线几何形态研究中的基础部分。本文考虑了重力、浮力、流体拖曳力对拖缆几何形态的影响,并假设拖曳线和拖体在同一个平面内运动,由此依次讨论了一般拖缆的二维几何形态、等浮力缆索二维几何形态,并通过龙格-库塔法,用Matlab给出这2种情况下缆索的几何形态图。对拖缆的二维几何形态图线的分析可得知,拖缆的张力只与沉深有关,且随着沉深的增加而减小。这些结论有助于今后对拖缆拖曳中几何形态的研究。     

水下导航拖曳载体水动力性能分析

三体船型适合作为水下导航系统的载体平台,其主体对整个载体的稳定性有较大影响。采用数值计算的方式分析主体封闭和开敞条件下,载体在静水拖曳直航工况下的水动力性能。结果表明:封闭主体与迎流有一个较大的接触角度,使得来流在主体前方的迎流区形成一个很大的流动停滞区,不利于载体的纵向稳定。当主体采用全开敞结构时,流体在整个舱室内几乎没有流动停滞区和飞溅,对应的载体稳定性相对较高,且压差阻力在总阻力中发挥主导作用。随着Fr值的增大,载体的横倾幅值不断增大,但变化不大。载体的纵向稳定性受Fr的影响较大,且在Fr的值接近0.428时,纵倾值突变到4.8°左右。     

基于虚功原理的复杂水下拖曳系统稳态模型

为解决缆索中间存在大部件的复杂水下拖曳系统建模问题,将其简化为质心和铰接点多点受力的刚性杆结构,基于虚功原理建立系统的稳态动力学方程.详细分析了系统的虚位移关系和杆段的流体阻力算法,推导出矩阵形式的数学模型表达式,形式简洁,意义明确,便于求解.求解该非线性方程组,得到系统的欧拉角稳态位形.仿真计算结果表明,该模型能较好吻合实际情况,准确反映系统结构变化对稳定姿态的影响,有效解决带中间部件系统的稳态计算问题.     

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。     

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。     

系泊缆索的非线性动力响应计算

系泊缆索会受到非线性流体动力的作用,还会出现大的位移。采用三维弹性梁理论模型,把缆索看作是等拉伸刚度、等弯曲刚度的细长结构,采用非线性有限元法求解缆索的运动方程。用牛顿迭代法计算系泊缆索的静力平衡状态。对于缆索的动力响应方程,采用隐式、显式混合的数值格式,最终将方程化为显式格式进行求解,提高了计算效率;使用高阶单元,只需要较少的单元就可以得到收敛解。计算结果表明,该计算方法能较准确地描述系泊缆索的非线性特征,且适用于缆索大变形条件下的动力响应分析。     

基于凝集质量法的海洋缆索动态响应建模与仿真

提出了一种基于凝集质量法的海洋缆索动态响应研究的模型,该模型采用Kane方法以广义主动力与广义惯性力相平衡的方式得到缆索运动的控制方程。模拟了以拖船-落锚方式布放次水面浮标的时间历程。对浮标结构设计与布放作业有一定的参考价值。     

基于集中质量法的软体排受力和构型分析

首次将一种基于集中质量法的力学模型用于分析计算软体排沉排受力和构型。该力学模型解决了不均匀质量、可拉伸软体排排体的构型和拉力分布的分析计算问题,并能考虑实际河流环境中水流的作用力。实例计算结果的讨论以及与悬链线理论解进行对比可知基于集中质量法的力学模型更适用于实际河流环境下的软体排排体的受力分析。     

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。     

基于动态刚度阵法的海洋平台动力响应分析

导管架式海洋平台是人类开发和利用海洋资源的重要工程设施,动态刚度阵法是解决工程中结构振动问题的一个强有力的工具,其可以通过较少的单元数计算出结构固有频率和固有振型,减少结构的自由度数,随着计算频率的升高,DSM法无需进一步细化单元.本文应用DSM法建立导管架式海洋平台模型,将导管架式海洋平台简化成平面刚架结构,计算了导...     

基于动态子结构-阻抗法的车辆制动鼓动态特性研究

为了能准确、快速分析和预测复杂鼓式制动器结构的动态特性,采用动态子结构综合法-阻抗法对其模态特性进行了研究.基于动态子结构综合法-阻抗法推导了复杂结构动态响应特性关系式,计算了鼓式制动器的模态参数,比较了采用动态子结构综合法和有限元法计算制动鼓的响应时间.结果表明:采用动态子结构综合法-阻抗法是准确、高效的,既能准确计算制动鼓的模态特性,又能快速预测其动态响应特性.     

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。     

拖曳式试验系统拖缆平台振动测试与分析

工程应用中,拖曳式试验系统拖缆平台存在明显的振动现象,振动产生的辐射噪声会对环境声场产生影响.基于拖缆平台的结构及运行原理,分析其内部的主要激励源,并进行现场振动测试.测试试验对平台支柱、绞车系统和隔振装置的振动信号进行了测量和分析,结果表明,平台支柱存在一定程度的振动,绞车机架振动主要由传动装置激励产生,隔振螺栓隔振效果不佳.测试数据及结果可为系统在工程应用中的优化设计和振动控制提供参考.     

拖曳式试验系统拖缆平台振动测试与分析

工程应用中,拖曳式试验系统拖缆平台存在明显的振动现象,振动产生的辐射噪声会对环境声场产生影响。基于拖缆平台的结构及运行原理,分析其内部的主要激励源,并进行现场振动测试。测试试验对平台支柱、绞车系统和隔振装置的振动信号进行了测量和分析,结果表明,平台支柱存在一定程度的振动,绞车机架振动主要由传动装置激励产生,隔振螺栓隔振效果不佳。测试数据及结果可为系统在工程应用中的优化设计和振动控制提供参考。     

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。     

基于AQWA的S-Spar平台动力响应分析

为了研究深水极端海况下带螺旋板的S-Spar平台的动力响应性能,基于三维势流理论和波浪的绕射/辐射理论,结合水动力分析软件AQWA,在频域内计算了单位波幅规则波作用下螺旋板导程分别为120 m、90 m和60 m的平台的动力响应,得到平台的附加质量、阻尼和运动RAO等水动力参数;基于频域分析结果,考虑随机波浪荷载及风、流的共同作用和系泊缆是否破断的工况,计算了系泊于1 500 m水深的螺旋板导程为120 m的平台在极端海况JOHNSWAP谱作用下的动力响应,并与不带螺旋板平台的动力响应进行了对比.分析结果表明:不同螺旋板导程的平台垂荡方向上的附加阻尼差异较大;在极端海况下,螺旋板导程为120 m的S-Spar平台的运动响应满足要求;螺旋板存在时会大幅增加平台的首摇运动幅值,忽略螺旋板可能会高估平台的首摇运动性能;不带螺旋板的平台的系泊缆张力幅值偏大,忽略螺旋板可能会高估系泊缆的极限张力.     

一种多阵联合的拖线阵左右舷分辨方法

左右舷模糊一直是困扰拖曳线列阵声呐使用的关键技术,其制约了拖线阵声呐的使用效能。现有声呐系统装备的首端阵和舷侧阵均具有左右舷分辨能力,其与拖线阵声呐的信息互补性为拖线阵左右舷分辨提供了可能。文中提出一种多阵联合的拖线阵左右舷分辨方法,即利用舷侧阵和拖线阵公共频段的联合波束形成技术实现拖线阵的左右舷分辨,通过仿真分析验证了所提方法的有效性。结果表明,所提方法能够实现拖线阵左右舷分辨,平均分辨正确率不低于90%。