小型浅水域水下自航行器系统设计与试验研究

论文题目: 小型浅水域水下自航行器系统设计与试验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械电子工程

作者: 温秉权

导师: 王树新

关键词: 水下自航行器,优化设计,有限元法,释放机构,动态响应,升沉运动,动力学建模,控制器,控制系统

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文主要开发和研制了一种针对特定水域的小型、浅水域、预编程、测量型水下自航行器,并对该系统从理论分析、详细设计、样机制作、试验研究、系统改进几个方面进行了研究和探讨。该系统具有自主知识产权、面向特殊海域,可分离模块式构型具有一定原创性。不仅为海洋勘察与测量提供了测量航行器,也为多功能新型水下自航行器的进一步研究和开发奠定坚实的技术基础。本研究根据航行器的主要性能要求,提出了可实现座底观测与释放分离的水下自航行器新构型,经过系统详细设计,完成了总体设计方案和试验样机研制与改进,并提出了重心与浮心改变的水下自航行器的重心与浮心计算方法与设计准则。对铝板卷焊环肋加强圆柱耐压壳体结构参数、释放分离机构工作的安全可靠性以及航行器下沉方式进行了分析和研究。首先,以质量最小为优化目标对耐压壳体结构参数进行了优化设计;然后,针对壳体制造过程中的两种主要制造误差圆柱度误差和焊缝质量缺陷对壳体承载能力的影响进行了有限元分析,为合理考虑制造误差对壳体承载能力的影响和合理制定加工制造精度要求等提供了指导;最后,有限元模型的正确性通过实验进行了验证。另外,基于理论分析与试验测试相结合的方法,确定了释放分离机构的主要结构参数,试验验证了释放分离机构设计的合理性和可靠性。为保证水下自航行器总体平稳准确坐落在指定海域的水底,提出了三种注水下沉方式并进行了运动分析和实现难易程度的对比,并确定采用航行器总体先下潜后自由下沉的方式,试验结果表明了该方法的有效性和合理性。基于Newton-Euler方程,建立了航行器总体的一般动力学模型,并对航行器航行过程中所受的外力作了进一步分析,以矩阵的形式给出了更为具体的动力学方程表达式。基于解耦原理和小扰动理论,对运动方程进行了解耦和线性化,获得了工程实际中简便、实用的动力学模型。对航行器主体浮出水面在波浪中的动态响应进行了分析和研究,基于牛顿第二定律分别建立和推导了主体在水面的自由升沉运动和横摇运动的运动方程,进而推导了主体在波浪激励下的升沉和横摇运动方程,并得出了稳定振荡后升沉运动振幅与波振幅之比及最大横摇角的计算式。基于简化的动力学模型,分别设计了航速、航向、纵倾和深度控制器,并进行了计算机仿真研究。论述了航行器总体的完整工作过程、组成模块和各模块应具有的功能与承担的任务。首次将CAN总线应用于航行器控制系统中,并建立和完成了基于CAN总线的混合-分布式控制系统的分层和总体结构设计,解决了以前AUV控制系统的不足。以自行研制的水下自航行器模型样机为试验对象,对其密封与耐压性能、直航与特定性能和完整工作过程等分阶段进行了试验研究,对试验中出现的问题,在深入理论分析与CFD计算的基础上提出了相应的解决措施,使模型样机得到不断改进和完善。最终,在湖试中航行器成功地完成了直航、偏航、下潜、注水、下沉落底、释放、上浮等一系列动作,验证了航行器能够完成预期的各项功能,表明水下自航行器总体及控制系统设计的正确性、有效性和实际可行性。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章绪论

1.1 关注海洋

1.2 水下航行器概述

1.3 水下自航行器(AUV)的发展及研究现状

1.3.1 美国AUV的研究现状

1.3.2 其它国家AUV的研究现状

1.3.3 我国AUV的研究现状

1.4 我国AUV研究存在的主要问题与本文的主要研究内容

第二章水下自航行器总体设计

2.1 水下自航行器的性能要求与设计流程

2.2 系统总体结构方案设计原则

2.2.1 航行器主体设计

2.2.2 压载水舱设计

2.3 航行器主要零、部件结构方案设计

2.3.1 探测与发射装置的安装

2.3.2 主舱

2.3.2.1 主舱壳体结构方案设计

2.3.2.2 释放机构

2.3.3 尾舱

2.3.3.1 螺旋桨的驱动

2.3.3.2 舵的传动方式

2.3.4 压载水舱的注水控制装置

2.4 重心╱浮心计算

2.4.1 重心的计算

2.4.1.1 质点系的重心（质心）

2.4.1.2 物体的重心

2.4.1.3 多物体系统的重心

2.4.2 浮心的计算

2.4.3 重心与浮心调整的计算

2.4.3.1 配重位置已定求所需增加的浮容积和配重

2.4.3.2 浮力足够时配重及配重位置的确定

2.4.4 主体的重心与浮心

2.4.5 航行器总体的重心与浮心

2.5 本章小结

第三章主舱壳体结构优化设计及有限元分析

3.1 优化方法

3.1.1 优化方法选择

3.1.2 惩罚函数法

3.1.2.1 基本思想

3.1.2.2 内点惩罚函数法

3.1.2.3 外点惩罚函数法

3.1.2.4 混合惩罚函数法

3.2 主舱壳体结构优化设计

3.2.1 设计分析

3.2.2 数学模型

3.2.3 优化计算结果与分析

3.3 主舱壳体有限元分析

3.3.1 有限元模型

3.3.2 计算机仿真计算

3.3.2.1 理想情形主舱壳体应力计算

3.3.2.2 圆柱度对主舱壳体承载能力的影响

3.3.2.3 焊接质量对主舱壳体承载能力的影响

3.3.2.4 同时考虑圆柱度和焊缝对主舱壳体承载能力的影响

3.3.2.5 试验结果

3.4 本章小结

第四章航行器特殊性能分析

4.1 释放机构工作的安全可靠性分析

4.1.1 摆动式释放机构的结构及工作原理

4.1.2 主要结构参数的确定

4.1.2.1 挂钩斜面最大工作载荷的确定

4.1.2.2 挂钩主要结构参数的确定

4.1.3 实验

4.2 航行器总体下沉过程分析

4.2.1 航行器总体自由下沉

4.2.1.1 航行器下沉的直线运动分析

4.2.1.2 航行器绕其重心摆动的分析

4.2.2 控制航行器总体下沉过程

4.2.2.1 下沉运动的分解

4.2.2.2 航行器下沉过程的控制

4.2.3 航行器总体先下潜后自由下沉

4.3 主体浮出水面在波浪中的动态响应

4.3.1 主体在水面的升沉运动分析

4.3.1.1 建立坐标系

4.3.1.2 受力分析

4.3.1.3 升沉运动方程

4.3.1.4 自由阻尼振荡

4.3.1.5 强迫振荡

4.3.2 主体的横摇运动分析

4.3.2.1 自由阻尼横摇

4.3.2.2 波生横摇

4.3.3 主体动态响应的计算与分析

4.3.3.1 升沉响应计算

4.3.3.2 横摇响应计算

4.4 本章小结

第五章航行器总体的动力学模型与控制仿真

5.1 一般动力学模型

5.1.1 运动学分析

5.1.1.1 坐标系定义

5.1.1.2 变量定义

5.1.1.3 坐标系之间的转换矩阵

5.1.1.4 旋转角速度和姿态角的关系

5.1.2 六自由度动力学方程

5.1.2.1 动力学方程表述

5.1.2.2 力和力矩

5.2 动力学模型简化

5.2.1 动力学模型解耦

5.2.2 动力学模型线性化

5.2.2.1 航行速度简化模型

5.2.2.2 水平面动力学简化模型

5.2.2.3 纵平面动力学简化模型

5.3 控制器仿真研究

5.3.1 航速控制器

5.3.2 航向控制器

5.3.3 纵倾控制器

5.3.4 深度控制器

5.4 本章小结

第六章水下自航行器总体控制系统

6.1 水下自航行器工作过程

6.2 航行器总体的组成模块与功能

6.3 基于CAN总线的混合—分布式控制系统方案研究

6.3.1 分布式控制结构

6.3.2 基于功能的控制体系结构

6.4 基于CAN总线的混合-分布式控制系统结构设计

6.4.1 控制系统分层

6.4.2 CAN总线原理

6.4.2.1 CAN总线特征

6.4.2.2 CAN通讯协议分层

6.4.3 控制系统总体结构设计

6.5 本章小结

第七章水下自航行器系统试验研究

7.1 密封性与耐压试验

7.1.1 密封性浸泡试验及分析

7.1.2 压力试验

7.1.2.1 单元密封性压力试验

7.1.2.2 总体密封性与耐压试验

7.2 航行器系统水平直航与特定性能试验

7.2.1 航行器系统水平直航试验

7.2.2 航行器系统特殊性能试验

7.2.2.1 释放机构工作可靠性试验

7.2.2.2 航行器总体下沉落底的平稳性试验

7.2.2.3 航行器主体上浮及姿态稳定性试验

7.3 航行器系统湖试

7.4 本章小结

第八章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

[1].水下自航行器水动力学特性数值计算与试验研究[D]. 何漫丽.天津大学2005
[2].具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究[D]. 侯巍.天津大学2006
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[4].可着陆水下自航行器系统设计与动力学行为研究[D]. 张宏伟.天津大学2007
[5].多学科优化设计在水下无人航行器设计中的应用研究[D]. 王建.哈尔滨工程大学2016
[6].过驱动水面航行器的控制分配技术研究[D]. 王芳.哈尔滨工程大学2012
[7].基于自适应动态面控制的自主海洋航行器协同路径跟踪[D]. 王昊.大连海事大学2014
[8].混合驱动水下自航行器动力学行为与控制策略研究[D]. 王晓鸣.天津大学2009
[9].UTP辅助UUV导航误差校准方法研究[D]. 邓超.哈尔滨工程大学2015

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