微型潜艇气动推进系统的设计与仿真

论文摘要

微小型潜艇的应用意义重大,但现有的推进方式和供氧方式存在着各种各样的问题。现提出一种全新的构想,即利用高压气瓶和气动马达等元件组合而成的气动系统为该种潜艇提供推进动力,同时气动马达的排气也能为舱室提供氧气,实现推进和供氧的双重目标,使微型潜艇更加经济、环保、安全、可靠。计算机仿真是利用系统的数学模型在计算机上进行的实验,它的特点是投资少、无风险、见效快以及不受实验条件的限制等。因本文所涉及的学科较多,故选择了先进的多学科领域系统建模与仿真软件SimulationX以及新兴的Modelica语言作为平台,设计并搭建了基于某微型旅游潜艇的气动推进系统模型。推进系统模型分为船桨系统子模型、减速器子模型、气动马达子模型、气动系统子模型以及控制系统子模型。鉴于艇体阻力计算和潜艇运动的复杂性,对阻力和运动方程做了简化处理。利用输出特性来表达气动马达,不仅更接近实际情况,而且能有效缩短仿真计算时间。通过不同功率的气动马达与不同的减速比以及船桨模型的匹配仿真,选择最为合适的气动马达和减速比。根据所选马达的耗气量与潜艇续航时间计算满足要求的高压气瓶的工作压力和容积。考虑到高压气体在减压过程中,气体与阀的摩擦损耗以及大幅温降导致的能量损失,在动力系统中引入高压容积减压方式和热交换器,以提高气动系统的效率,增加潜艇的续航时间。利用PID控制器调节流量阀的开口大小,从而调整气动马达的输出功率,继而控制潜艇的运动。通过经验法调整PID控制器的参数,获得了较为理想的位移响应曲线。通过合成X、Y、Z三个方向的位移,得到潜艇在三维空间中的运动。利用MBS模块搭建潜艇的三维示意视图,将位移的仿真结果赋给三维模型,在仿真计算的过程中,可观察其三维运动轨迹,令仿真过程更加形象、生动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义与目的
• 1.2 微潜推进技术和供氧技术的发展现状
• 1.2.1 国外微潜举例
• 1.2.2 国内微潜举例
• 1.3 本文主要研究内容和章节安排
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2章 节安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 多学科领域系统建模与仿真技术概述
• 2.1 多学科领域系统建模与仿真技术概述
• 2.2 多学科领域建模与仿真软件SimulationX
• 2.2.1 SimulationX 的特点
• 2.2.2 SimulationX 的建模方式
• 2.2.3 SimulationX 的分析功能
• 2.3 Modelica 语言简介
• 2.3.1 面向对象建模
• 2.3.2 非因果陈述式物理建模
• 2.3.3 多领域统一建模
• 2.3.4 连续离散混合建模
• 2.3.5 基于Modelica 语言多领域建模仿真的基本原理
• 2.3.6 基于Modelica 语言的建模仿真工具研究与应用现状
• 2.4 本章小结
• 第3章 微潜船桨系统的数学模型
• 3.1 螺旋桨的数学模型
• 3.1.1 螺旋桨的推力和阻力矩
• 3.1.2 螺旋桨的敞水特性
• 3.1.3 推力系数K T 和扭矩系数K Q 的计算方法
• 3.1.4 螺旋桨与艇体的相互作用
• 3.2 微潜阻力的数学模型与运动方程
• 3.2.1 微潜阻力的数学模型
• 3.2.2 微潜的简化运动方程
• 3.3 微潜船桨系统数学模型在SimulationX 中的实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 气动动力系统的设计
• 4.1 活塞式气动马达的选用
• 4.1.1 气动马达特性简介
• 4.1.2 气动马达模型的建立与马达的选用
• 4.2 高压气瓶的选用
• 4.2.1 纤维缠绕复合材料气瓶简介
• 4.2.2 高压气瓶的选用及其模型的建立
• 4.3 微潜气动动力系统的设计
• 4.3.1 高压气体节流过程的能量损失
• 4.3.2 温度对气动马达运行时间的影响
• 4.3.3 动力系统改进后马达的输出功分析
• 4.3.4 动力系统设计方案
• 4.3.5 动力系统的建模与仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 微潜运动的控制和三维显示
• 5.1 微潜的运动控制
• 5.1.1 PID 控制器简介
• 5.1.2 PID 控制器的参数整定
• 5.2 微潜运动的三维显示
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 1. 总结
• 2. 存在的不足与展望
• 3. 创新点
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要