超小型水下机器人推进器设计与分析

论文摘要

在水下机器人领域,开发适应复杂环境和恶劣条件下作业的特殊水下机器人是我国发展机器人技术的一个主要方向和内容。随着水下机器人应用领域的不断拓宽,研制一种超小型自主水下机器人来代替人工进行一些浅水区域的危险作业成为必要。为了提高超小型水下机器人的快速性和操纵性,本文通过对传统推进器分析,结合喷水推进器工作要求,利用行星轮系装置设计了一种超小型水下机器人喷水推进器。本论文主要对超小型水下机器人喷水推进器的系统设计、运动学及动力学等方面进行了分析研究。首先通过对现有水下机器人及船舶推进器的优点和不足的分析,考虑超小型水下机器人的使用要求,提出利用行星轮系机构的喷水推进器的系统设计方案。依据喷水推进器结构设计要求,采用虚拟样机技术,基于三维参数化设计软件Pro/E建立了喷水推进器总机初步装配模型,并对主要部件的结构设计进行分析。然后,对推进器的主要部分——行星轮系推进装置进行机构分析。采用齐次坐标变换方法,分析行星轮系推进装置的工作原理,基于Pro/E建立推进装置的模型,并利用Pro/E中的动态仿真模块得出行星轮节圆上任意点的运动轨迹。建立推进器的运动学方程,进行全面的运动学特性分析,得到管式活塞的位移、速度、加速度理论解。基于动量定理、连续性方程、伯努利方程建立推进器的水动力特性方程,得到理想状态下推进器推力足以克服水下机器人受到的阻力,并确定了推进器的主要结构参数。通过合理简化,建立推进器的动力学方程,并求解得到各主要部件上的力和力矩,为实现水下机器人结构优化和控制奠定了基础。最后,基于虚拟样机,应用系统动力学仿真分析软件ADAMS对推进器进行运动学、动力学仿真实验,分析和验证推进器的工作原理,为推进器设计方案的可行性分析提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下机器人技术研究现状
• 1.2.1 水下机器人概述
• 1.2.2 水下机器人技术研究现状及发展趋势
• 1.2.3 超小型水下机器人技术研究现状
• 1.3 水下机器人推进系统研究现状
• 1.3.1 船舶推进系统技术现状
• 1.3.2 水下机器人推进系统技术现状
• 1.4 喷水推进器技术研究现状
• 1.4.1 喷水推进泵
• 1.4.2 喷水系统的进水口
• 1.4.3 喷水系统的喷口段
• 1.4.4 喷水系统的操纵装置
• 1.5 论文内容及研究意义
• 第2章 喷水推进器结构设计
• 2.1 超小型水下机器人推进器的技术要求及性能指标
• 2.1.1 推进器的技术要求
• 2.1.2 主要设计参数及技术指标
• 2.2 喷水推进器工作原理
• 2.3 喷水推进器初步方案和结构设计
• 2.4 最终结构方案确定
• 2.5 推进装置设计
• 2.6 管式活塞结构设计
• 2.7 喷管出水口设计
• 2.8 本章小结
• 第3章 推进器运动学分析
• 3.1 行星轮推进装置分析
• 3.1.1 行星轮的角速度分析
• 3.1.2 行星轮上节点的运动轨迹分析
• 3.1.3 仿真实验分析
• 3.2 推进器运动学分析
• 3.2.1 位置分析
• 3.2.2 速度分析
• 3.2.3 加速度分析
• 3.2.4 仿真实验分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 推进器动力特性分析
• 4.1 喷水推进器理论分析
• 4.1.1 理想推进器的工作图式
• 4.1.2 理想推进器的推力、效率和负荷系数
• 4.1.3 实际喷水推进器理论
• 4.1.4 三种喷水推进理论
• 4.1.5 影响系统效率的因素
• 4.2 推进器的主要参数确定
• 4.2.1 喷口直径
• 4.2.2 出水管直径
• 4.3 推进器的动力特性分析
• 4.3.1 推进器推力
• 4.3.2 推进器动力特性
• 4.3.3 管式活塞的实际受力情况
• 4.4 动力学仿真
• 4.4.1 推进器喷水过程仿真
• 4.4.2 推进器吸水过程仿真
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录