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水下滑翔机设计、优化及运动模拟

作 者: 叶效伟
导 师: 连琏
学 校: 上海交通大学
专 业: 船舶与海洋工程
关键词: 水下滑翔机 原理样机 数学模型 优化设计
分类号: U674.941
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 229次
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内容摘要


水下滑翔机是一种无外挂驱动设备,依靠自身净浮力驱动,依靠外部控制面和内部调节机构共同控制的新型水下自主式机器人。作为一个搭载平台,水下滑翔机有许多非常有用的应用,尤其是在海洋环境调查、监测和数据采集领域,因为其具有功耗低、花费低和续航力长久等优点。从水下滑翔机概念提出到目前,欧美国家已经形成相对较为成熟的理论研究体系和工程应用体系,而我国在工程应用方面才刚刚起步,同国外存在很大的差距。本文以水下滑翔机作为研究对象,具有较好的理论意义和应用前景。本文主要研究工作分为三个部分:1.研制一套小型水下滑翔机原理样机,包括总布置、外部型线和结构设计、浮力调节机构、姿态调节机构、控制系统设计,系统集成和水池实验。设计中,将水囊放置在耐压壳体内部,避免了深水压力对水囊体积和形状影响,增加了系统稳定性;并将水囊布置在载体艏部,能够为载体姿态改变时提供正向力矩,加快系统调节稳定性;原理样机的水池实验初步验证了其基本原理的可行性。2.建立原理样机在垂直面内运动的受力模型和运动数学模型,研究水下滑翔机的运动特性,并模拟原理样机在垂直面内的下潜滑翔。模拟结果表明将用于调节净浮力的机构放置在一个合适位置确实能够减少系统调节时间,增加系统的调节稳定性。3.利用CFD流体力学计算软件研究原理样机在垂直面内运动时的水动力特性,并优化原理样机的翼型设计和机翼布置设计。研究在不可压缩流体中低速运动的水下滑翔机平板机翼和NACA0006机翼水动力特性的优劣,并根据NACA0006机翼后掠角对水下滑翔机在不同攻角下的水动力特性的影响研究,对机翼的后掠角布置进行了分析与优化。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-21
  1.1 研究背景和研究意义  12-14
  1.2 水下滑翔机的发展现状  14-18
    1.2.1 国外发展现状  14-17
    1.2.2 国内发展现状  17-18
  1.3 水下滑翔机的关键技术及研究难点  18-19
  1.4 本文研究内容  19-20
  1.5 本章小结  20-21
第二章 水下滑翔机原理样机设计、制作和实验  21-54
  2.1 水下滑翔机总体结构及运动原理  21-24
    2.1.1 总体结构  21-22
    2.1.2 运动原理  22-24
  2.2 设计任务  24-25
  2.3 外部型线和结构设计  25-36
    2.3.1 水下运载器回转体外形几何参数  25-26
    2.3.2 流线型回转体理论设计方法  26-28
    2.3.3 流线型回转体实验研究  28-30
    2.3.4 原理样机线型设计  30-31
    2.3.5 流线型壳体结构设计  31-36
  2.4 浮力调节系统设计  36-41
    2.4.1 机械浮力调节装置  36-39
    2.4.2 浮力调节装置设计  39
    2.4.3 浮力装置试验  39-41
  2.5 姿态调节系统设计  41-45
    2.5.1 液体抽送方案  42
    2.5.2 滑动质量块移动方案  42-45
  2.6 主控制系统设计  45-48
    2.6.1 水面控制系统  45
    2.6.2 水下控制系统  45-48
    2.6.3 控制电路板和控制软件测试试验  48
  2.7 总布置设计  48-50
  2.8 原理样机实验  50-53
    2.8.1 集成系统调试试验  50-51
    2.8.2 水池实验  51-53
  2.9 总结  53-54
第三章 原理样机数学建模和仿真  54-68
  3.1 引言  54
  3.2 动力学模型  54-59
    3.2.1 坐标系定义  54-55
    3.2.2 变量定义  55-56
    3.2.3 定常滑翔运动动力学分析  56-57
    3.2.4 六自由度运动方程  57-59
  3.3 数学模型简化和原理样机数学模型建立  59-64
    3.3.1 数学模型简化  59-61
    3.3.2 静平衡方程  61-62
    3.3.3 原理样机数学模型建立  62-64
  3.4 运动仿真和结果分析  64-67
    3.4.1 相关运动参数  64-65
    3.4.2 运动模拟  65-67
  3.5 总结  67-68
第四章 原理样机机翼的优化设计  68-84
  4.1 概述  68
  4.2 水下滑翔机在水中运动受到外力分析  68-71
    4.2.1 水下潜器受力分析  68-69
    4.2.2 水下滑翔机运动受力分析  69-70
    4.2.3 流体动力学研究方法  70-71
  4.3 原理样机水动力计算  71-77
    4.3.1 机翼说明  71-72
    4.3.2 模型建立  72-74
    4.3.3 计算数据分析和处理  74-77
  4.4 机翼优化  77-83
    4.4.1 滑翔机滑翔效率分析  77-78
    4.4.2 翼型优化  78-80
    4.4.3 机翼后掠角优化  80-83
  4.5 总结  83-84
第五章 总结和展望  84-86
  5.1 总结  84
  5.2 展望  84-86
参考文献  86-90
致谢  90-91
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  91

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 各种船舶 > 船舶:按航行状态分 > 潜水船
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