微型观光潜艇十字舵系统研究

论文摘要

微型观光潜艇是一种可将2-3名游客载入水下进行旅游观光的载人潜器。十字舵系统的机动操纵性和可靠性直接关系到潜艇的运动性能。本文根据十字舵系统需实现的功能及基本要求,对微型观光潜艇十字舵系统的舵装置及其应急传动系统进行了研究。十字舵系统包括方向舵系统和升降舵系统,其主要功能是控制微型观光潜艇在水平面和垂直面的回转运动。十字舵系统的研究主要包括以下内容：首先,在现代潜艇和船舶常用的舵系统结构的基础上设计出其在潜艇内部的布局方案,并设计了十字舵舵装置和应急传动系统的结构方案。在选定舵型后,运用计算流体力学对舵叶水动力特性进行数值模拟,通过NACA0021翼型舵水动力系数的计算值和试验值对比验证了计算模型的正确性,并运用相似的计算模型求得了十字舵舵叶水动力系数的变化趋势。通过对比正航与倒航时的舵杆扭矩验证了倒航航速的合理性。其次,根据求得的方向舵和升降舵舵叶水动力系数值进行舵装置和应急传动系统结构设计。应用MATLAB对离散的水动力载荷和舵叶攻角进行高阶函数拟合,并将函数作为ADAMS动力学仿真的输入端,在设定各运动副的摩擦及接触参数后,通过仿真计算求得舵柄与活塞杆柱销间的接触力及电机承受负载转矩的峰值,验证了应急传动系统电机选择的合理性。最后,按最大动载荷对十字舵舵装置关键部件进行了有限元分析,得到了关键部件的应力及变形状况,验证了舵装置结构强度、刚度的安全性。同时以连杆和舵柄的体积作为优化目标,应用Hyperworks中的Optistruct模块对连杆及舵柄进行结构拓扑优化,并根据优化结果修正了舵装置的结构。综上所述,本文对十字舵系统的舵装置及应急传动系统结构做了一定的研究,其结果具有较重要的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 潜艇舵系统概述
• 1.2.1 潜艇舵系统的功能
• 1.2.2 潜艇操舵转向原理
• 1.2.3 舵在潜艇尾部的布置
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 十字舵系统方案设计
• 2.1 十字舵系统的基本要求及组成
• 2.1.1 微型观光潜艇对十字舵系统的基本要求
• 2.1.2 十字舵系统的组成
• 2.2 十字舵系统总体方案的确定
• 2.3 十字舵系统的结构方案设计
• 2.3.1 舵杆在潜艇内部布局方案
• 2.3.2 舵叶的选择与连接
• 2.3.3 舵承的选择
• 2.3.4 舵装置的装配方案
• 2.3.5 应急传动系统的结构方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 舵叶水动力特性数值模拟
• 3.1 舵叶水动力特性计算概述
• 3.1.1 舵叶水动力的一般概念
• 3.1.2 舵叶水动力特性计算方案的选择
• 3.2 CFD基本理论
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 湍流模型
• 3.3 舵叶几何参数的确定及舵叶建模
• 3.3.1 方向舵及升降舵舵叶几何参数的确定
• 3.3.2 稳定翼及舵叶模型的建立
• 3.4 舵叶水动力特性数值模拟
• 3.4.1 计算模型的前处理
• 3.4.2 FLUENT计算求解
• 3.5 计算结果分析
• 3.5.1 NACA0021翼型舵水动力数值模拟结果分析
• 3.5.2 十字舵舵叶水动力数值模拟结果分析
• 3.5.3 潜艇倒航航速的确定
• 3.6 本章小结
• 第4章 传动系统建模与动力学仿真
• 4.1 舵装置的设计与建模
• 4.1.1 方向舵装置的设计与建模
• 4.1.2 升降舵装置的设计与建模
• 4.2 应急传动系统的设计与建模
• 4.2.1 齿轮齿条机构的设计与建模
• 4.2.2 应急传动系统电机的选择
• 4.2.3 应急传动系统传动轴的选择
• 4.3 十字舵系统传动装置动力学仿真
• 4.3.1 十字舵动力学仿真概述
• 4.3.2 十字舵舵叶水动力与攻角的函数关系拟合
• 4.3.3 传动装置动力学仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 十字舵系统关键部件有限元分析及优化
• 5.1 十字舵系统关键部件有限元分析及优化概述
• 5.2 十字舵系统舵装置的有限元分析
• 5.2.1 舵杆的有限元分析
• 5.2.2 舵承的有限元分析
• 5.3 连杆及舵柄的拓扑优化
• 5.3.1 连杆及舵柄的拓扑优化概述
• 5.3.2 连杆的拓扑优化
• 5.3.3 舵柄的拓扑优化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢