水下机器人在潜艇附近的附加质量及受力情况研究

军用舰艇为了提高探测效率和侦察精度,往往需要配置功能各异的水下机器人。水下机器人隐蔽性好,可以实现不同水深的信号采集等功能。水下机器人和潜艇在相同流体下的动力学特性相互影响,研究其水动力参数对水下机器人控制和优化具有重要的意义。本文针对水下机器人在潜艇附近的附加质量和受力分析,建立两者的流体动力学模型,并在此基础上完成了水下机器人仿真和有限元分析。     

水下滑翔机附加质量数值计算

水下滑翔机的附加质量对其运动状态影响较大,本文采用了Hess-Smith（面元法）方法编制了计算任意三维物体附加质量的程序,利用Gambit软件对水下滑翔机进行网格划分,计算出实验室所研制的水下滑翔机附加质量,同时利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,结合动网格技术和UDF（User-Defined Function）,对水下滑翔机进行了PMM（Planar Motion Mechanism）试验模拟,并与Hess-Smith方法得到的结果进行对比,分析两者之间的特点和各自优势。     

水下滑翔机附加质量数值计算

水下滑翔机的附加质量对其运动状态影响较大,本文采用了Hess-Smith(面元法)方法编制了计算任意三维物体附加质量的程序,利用Gambit软件对水下滑翔机进行网格划分,计算出实验室所研制的水下滑翔机附加质量,同时利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术,结合动网格技术和UDF(User-Defined Function),对水下滑翔机进行了PMM(Planar Motion Mechanism)试验模拟,并与Hess-Smith方法得到的结果进行对比,分析两者之间的特点和各自优势。     

潜艇近海底航行附加质量数值计算

采用Hess-Smith方法编制三维物体近边界运动时附加质量计算程序，与椭球体的理论计算值比较验证了该程序的可靠性，利用MSC－Patran预处理软件对潜艇及底部边界进行网格划分，计算了潜艇在不同的海底间隙，不同的纵倾角及通过海底台阶时的艇体附加质量，得到潜艇在近海底航行时附加质量的变化规律。最后以海底间隙，艇体纵倾角和距海底台附距离为参变数，整理了潜艇近海底航行时附加质量的变化规律。     

带缆水下机器人转首控制及水动力分析

将缆绳模型与6自由度模型耦合,构建带缆水下机器人数学模型,并通过重叠网格和滑移网格技术模拟机器人的运动和导管螺旋桨的旋转运动。在不同海流作用下对受导管螺旋桨控制的带缆水下机器人转首运动、导管螺旋桨推力特性与海流速度的关系、缆绳受力和机器人水动力性能等进行了分析。数值模拟结果表明,在低海流速度下,带缆水下机器人在导管螺旋桨控制下能完成转首运动,导管螺旋桨的推力会受到海流速度和机器人姿态显著的影响;海流速度对机器人水动力载荷和缆绳的合力也有显著的影响。     

基于断裂行为的水下机器人抗压疲劳损伤测试

水下机器人在受到大深度海水压力时容易产生断裂,为了提高机器人的抗压强度,提出一种基于断裂行为的水下机器人抗压疲劳损伤测试方法。在CAD/CAM平台上进行水下机器人抗压疲劳损伤系统的总体结构分析,构造水下机器人受力参量的估计模型,建立水下机器人机械荷载力学方程,采用断裂行为评估模型进行水下机器人抗压疲劳的力学估计和参量可靠性分析,在大深度的液态介质环境下建立水下机器人的机械流场应力模型,实现水下机器人抗压优化设计,延迟机器人的断裂行为。仿真结果表明,采用该模型进行水下机器人的机械结构应力场分析和抗压疲劳损伤测试,能有效提高水下机器人强度,增大水下机器人工作海深,抗疲劳损伤性能较好。     

基于Fluent的水下步行机器人结构优化设计

通过开展水下步行机器人结构外形设计研究,提出了一种在浅水环境下水下步行机器人的模型设计方案。由机体、腿部、连接、密封、浮力五个部分设计水下步行机器人,考虑浅水环境下洋流影响,利用流体力学软件Fluent对机体进行多次仿真优化,初步得到水下步行机器人模型。并对此模型进行数值模拟,计算收敛后,从Fluent软件中导出机器人的动压、受力等相关参数,并进行分析。计算结果验证了优化结构设计的优良性,表明采用此种方法研究水下步行机器人模型设计是可行的。     

水下机器人进行逆向运动时导管螺旋桨推力特性的模拟*

采用动网格与滑移网格混合技术,运用弹簧光顺与局部网格重构的组合式网格更新方式,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N—S方程。数值计算结果表明：采用动网格与滑移网格混合技术在模拟水下机器人系统水动力上是可以获得正确结果的；水下机器人系统在逆向运动、螺旋桨反转时,由于主体对水流的阻塞作用和外扩作用,使得后桨、左桨、右桨所处区域的水流轴向速度偏小,造成后桨、左桨、右桨所发出的推力都较单桨大。     

基于动网格技术的潜艇热尾流浮升规律研究

针对基于相对运动的"排水法",无法全面、准确地反映潜艇热尾流浮升扩散规律,建立基于动网格技术的潜艇水下航行的二维计算模型,利用流体计算软件Fluent对潜艇排放过程中的流动-传热过程进行数值模拟。采用网格重构和网格光顺方法结合Profile运动边界驱动机制实现网格区域运动,确保模型符合实际运动规律。研究动网格技术和"排水法"热尾流最大浮升高度沿流向分布情况,最大浮升高度和中心温度随时间的变化规律。研究结果表明:动网格技术对于潜艇航行过程中的热尾流浮升过程有较高的计算精度;模拟结果捕捉到了浮升过程中流动和传热的瞬时变化,揭示了热尾流浮升扩散的规律。研究结果进一步为潜艇红外特征研究提供了理论支持和方法思路。     

潜艇水下旋回操纵运动特性仿真研究

潜艇水下旋回运动既是潜艇一种重要的战术机动形式,也是潜艇定深直航、变深潜浮和转向机动3种最基本、最重要的运动方式之一。在对潜艇水下旋回运动特别是水下旋回对潜艇垂直面运动和横滚面运动影响进行理论分析的基础上,结合潜艇水下旋回操纵运动数学模型,编制潜艇水下旋回操纵仿真程序,分别对不同航速条件下潜艇水下旋回操纵运动进行仿真。通过理论分析和仿真研究,得出潜艇水下旋回时航速、横倾角的变化规律和艇重尾重的操纵特性,并针对潜艇水下旋回的特点提出了相应的操纵建议。