水下矢量推进螺旋桨装置设计与研究

论文摘要

21世纪将是人类认知海洋、开发海洋的世纪,世界各国都在加紧研究和开发海洋资源。要想更好地利用海洋资源,装备各种探测器的水下载运器作为海底探测的一种重要工具必不可少,水下载运器可以扩展深海探测的手段,并取得深海景象图片、海底矿石等近距离材料,为深海资源利用打下基础,为此世界各国都在加紧研制高性能的水下载运器。由于海底情况复杂,环境恶劣,对水下载运器的机动性能要求极高,理想的载运器应能完成前进、后退、偏航、俯仰、悬停、原地转弯、垂直升降等动作,但是目前大多数载运器还无法完全满足上述动作要求。本文研制一种基于锥齿轮轮系传动的矢量推进装置,该装置可以获得方向和大小都可以改变的矢量推进力,将该推进器应用于水下载运器,可以提高载运器的机动性,又不至于使载运器的推进系统过于复杂。本文主要完成以下几个内容:1.装置的机械结构设计。拟定传动方案,设计传动系统结构简图,按照强度条件设计主要传动零部件,对部分无法计算强度的零件依据安装尺寸进行结构设计,选用合适的密封元件,使用三维建模软件进行零件的建模和装配,并对装配体进行静态干涉和动态碰撞检查;2.主要零部件静力学分析和原动机选型。对主要受力零部件如轴承、螺栓进行受力分析,计算出螺栓预紧力大小,利用有限元法对中间轴和旋转支架进行强度校核,并优化设计。机械结构设计定型后,分析装置工作状况,选用合适的电机;3.传动系统数学建模和运动试验。对装置进行运动学建模和运动仿真,并进行了运动试验,验证了运动学模型的正确性,建立装置的水下动力学模型。分析安装了3个该矢量推进装置的载运器水下受力情况,并建立相应的动力学模型,为以后实验提供重要的理论依据。通过本文的研究,为水下矢量推进装置工程样机研制打下基础,并为样机的控制系统设计提供了数学模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 课题目的、意义以及国内外研究现状
• 1.2.1 课题研究的目的及意义
• 1.2.2 国内外研究现状分析
• 1.3 课题主要研究内容和方法
• 第二章 矢量推进螺旋桨原理样机结构设计
• 2.1 螺旋桨原理样机的性能指标和设计方案
• 2.1.1 原理样机的性能指标
• 2.1.2 设计规划
• 2.2 矢量推进螺旋桨原理样机结构设计
• 2.2.1 机构运动简图设计与分析
• 2.2.2 结构设计
• 2.2.3 虚拟装配
• 2.3 装配体静态干涉检查与动态碰撞检查
• 本章小结
• 第三章 螺旋桨原理样机结构分析
• 3.1 矢量推进螺旋桨机械结构分析
• 3.1.1 系统组成与分析
• 3.1.2 系统工作过程
• 3.2 主要零件的静力学分析
• 3.2.1 受力轴承强度计算
• 3.2.2 轴承端盖联接螺栓的强度计算
• 3.2.3 安装锥齿轮8 的轴的应力和变形分析
• 3.2.4 绕箱体旋转的旋转支架的应力和变形分析
• 3.3 电机匹配与选型
• 3.3.1 电机2 的选型
• 3.3.2 电机1 和电机3 的选型
• 本章小结
• 第四章 螺旋桨原理样机数学建模及载运器动力学建模
• 4.1 矢量推进螺旋桨运动学分析
• 4.1.1 定义坐标系
• 4.1.2 求解运动学方程
• 4.1.3 运动学仿真
• 4.1.4 原理样机运动试验
• 4.2 原理样机动力学建模
• 4.2.1 原理样机能量方程
• 4.2.2 原理样机机构动力学方程
• 4.3 载运器动力学建模
• 4.3.1 载运器运动坐标系及坐标变换
• 4.3.2 载运器受力分析
• 4.3.3 载运器动力学模型的建立
• 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果