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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

船舶拖曳潜体回转和收放作业仿真北大核心CSCD

为了对潜体拖曳系统的运动进行预判,并能快速且正确地得到船舶拖曳的潜体在水下不同时刻的位置和缆绳形态图,采用改进的集中质量法对拖曳系统进行数学建模,模拟水下拖曳系统不同工作状态下的运动形态,并对潜体的回转作业和收放作业进行简化。结果显示:水下拖曳潜体做回转运动时,拖曳潜体系统形成闭合的圆形回路;做收放运动时,拖曳系统随着时间的增加长度逐渐增加,从而完成潜体的收放操作。通过对海上船体拖曳系统运动规律的预测,以及对拖体拖曳系统的直航、回转和收放工况的研究,得到了拖曳系统的缆形的实时分布,以及潜深和拖曳潜体系统最大拉力之间的大小对应关系。     

船舶拖曳潜体回转和收放作业仿真

为了对潜体拖曳系统的运动进行预判,并能快速且正确地得到船舶拖曳的潜体在水下不同时刻的位置和缆绳形态图,采用改进的集中质量法对拖曳系统进行数学建模,模拟水下拖曳系统不同工作状态下的运动形态,并对潜体的回转作业和收放作业进行简化。结果显示:水下拖曳潜体做回转运动时,拖曳潜体系统形成闭合的圆形回路;做收放运动时,拖曳系统随着时间的增加长度逐渐增加,从而完成潜体的收放操作。通过对海上船体拖曳系统运动规律的预测,以及对拖体拖曳系统的直航、回转和收放工况的研究,得到了拖曳系统的缆形的实时分布,以及潜深和拖曳潜体系统最大拉力之间的大小对应关系。     

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。     

三维变速拖曳数学模型

分析了水下拖曳系统中拖船机动转弯、变速直航时，水下拖索的受力和运动情况以及水下拖索与拖曳器的相互影响关系，并建立了变速拖曳时，水下拖索的三维数学模型。最后的算例表明该模型具有一定的工程实际价值。     

舰船回转拖曳线列阵水听器阵位预测研究

拖曳线列阵水听器阵位定位问题是舰船辐射噪声自监测关键技术之一.论文基于观测基本原理建立了舰船回转拖曳线列阵水听器阵位的观测方程,推导了观测值与阵位参数的关系式.利用水动力学方法得到的舰船回转拖曳线列阵阵位为想定阵形,采用非线性最小方差曲线拟合的Levenberg-Marqudat(LM)算法,预报了舰船回转拖曳线列阵水听器的阵位.通过与想定阵形对比分析,研究了初始阵位偏离度和时间观测标准差等对水听器阵位预测精度的影响和规律.阵位预测的最大偏差出现在水听器阵位的两端,阵位中心点的预测与想定阵位一致,表明所提出的方法可实现仅基于本船信息预测舰船定常回转拖曳线列阵的阵位.     

拖船拖钩系统局部强度有限元分析

拖船作为一种工程船舶,主要对没有动力或不宜使用动力的海上设施进行拖曳作业。拖船作业方式按水域可分为港口拖曳和开放水域拖曳,开放水域拖曳又可分为应急拖曳和正常拖曳。拖船在拖曳时拖钩系统承受很大的作用力,因此拖钩系统结构局部强度是拖船设计公司所关注的,然而,通过计算可以发现,拖曳系统下方的甲板纵桁在拖曳过程中具有较高的应力水平,因此对拖船甲板纵桁的合理设计也至关重要。本文对正常拖曳情况下拖船缆柱、缆桩和T型材甲板纵桁进行强度分析,并对响应结构进行结构优化,从而使拖钩系统强度满足规范要求。     

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。     

基于结构化网格技术的螺旋桨定常空泡性能数值分析

为了研究定常状态下螺旋桨的敞水性能和空泡性能,采用基于粘流理论的CFD方法开展了系统地计算分析。采用结构化网格方案,将计算区域划分为两个计算区域,内域包含螺旋桨,并将桨叶表面以及桨毂表面的网格进行加密。通过将螺旋桨推力、转矩系数及效率等水动力特性参数的计算值与试验数据进行对比分析,验证了本数值方法的可靠性。利用多相流混合模型计算了螺旋桨的定常空泡性能,并简要分析了不同空泡数下的螺旋桨空泡性能,为以后预报螺旋桨空泡性能提供一种可行方案。     

水下拖体运动特性及计算法

拖体为满足所要求的性能，必须研究在一定拖曳特性，同时采用流体力学理论并确定准静计算法，动态计算法以及拖体的运动方程，此外还必须推算出有关的流体力系数，在此基础上，才能实现拖体系系统的良好设计。     

基于嵌套网格技术对控制动作下水下拖曳系统水动力特性的分析

本文运用重叠网格嵌套滑移网格技术,对匀速拖曳工况中水翼作正弦摆动、两侧导管桨交替正反转以及拖曳缆绳正弦收放等不同周期性控制动作下水下拖曳系统的水动力特性进行数值分析,研究水下拖曳系统控制动作与控制力、运动姿态、阻力以及拖曳缆绳拖曳力等特性及其相互之间的关系。分析结果表明,水下拖曳系统在控制动作下呈现出复杂的运动学与动力学特性,利用文中的水动力模型可以对水下拖曳系统水动力特性进行有效的预报。     

采用带梢隙涡模型的面元法预报泵喷水动力性能

为了预报泵喷推进器水动力性能,采用面元法建立了定常水动力干扰模型,将泵喷分为转子-桨毂和定子-导管两个系统,系统间的干扰通过诱导速度进行考虑。针对定转子的几何外形,提出了基于圆台面的叶片网格划分方法;并根据泵喷内部流动的真实情况,提出了适用于平顶式叶片的梢隙涡模型。通过从压力、环量以及推进性能等方面的结果对比,发现当泵喷考虑梢涡的影响时,转子叶片的整体环量分布以及梢部载荷更接近实际情况,性能曲线与粘流结果吻合良好,表明该方法可以有效地预报泵喷推进器定常水动力性能。