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水下机器人喷水矢量推进与液压驱动技术研究

作　者: 刘海波
导　师: 尚建忠
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 水下机器人混合推进液压驱动喷水推进
分类号: TP242.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 25次
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内容摘要

21世纪是海洋的世纪,鉴于水下机器人在海洋资源探测开发及军事等领域的重要地位,世界各国正大力发展高性能的水下机器人。本文结合国家自然科学基金项目“基于波浪能的水下机器人混合推进机构及其机理研究”,主要对混合推进水下机器人的液压驱动系统和喷水推进系统进行了相关研究。(1)提出了采用液压驱动的姿态调节方案和喷水推进的动力方案。设计了完整的液压驱动系统,并利用MATLAB/SimHydraulics、ADAMS等软件工具进行了机械液压系统的联合仿真,验证了液压驱动系统具有足够的工作能力,在±30°的转角指令范围都具有良好的控制性能。(2)利用Fluent软件对水下机器人机身的航行阻力进行了计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)仿真分析,分析了航行阻力的组成成分。在此基础上,对比了不同机身外形的阻力大小,对比了不同的入水口布置方案的阻力大小,这两方面的研究工作是获得低阻力机身的关键问题。研究结论是:采用流线型的机身外形、头部进水的入水口布置方案时,航行阻力最小。(3)对三种不同结构的喷口进行了CFD仿真,从喷口损失和轴向有效速度两方面对喷口的有效性进行对比。通过引入喷速修正系数的概念,证明前两种喷口结构更有可能成为最佳的结构方案。(4)采用动量计算法获得了喷水推进力的理论数值,采用自行设计的喷水试验系统获得了不同喷口的试验数据。对小型喷水推进系统的推力形成效率问题进行了充分说明。本文理论分析、仿真研究与试验研究相互结合,获得了一系列混合推进水下机器人领域有益的研究结论。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-21
  1.1 课题来源及意义  13-14
    1.1.1 课题来源  13
    1.1.2 研究背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  14-19
    1.2.1 水下机器人研究现状  14-15
    1.2.2 水下滑翔机器人研究现状  15-16
    1.2.3 水下机器人混合推进研究现状  16
    1.2.4 喷水推进研究现状  16-18
    1.2.5 水下AUV 发展趋势  18-19
  1.3 本文主要研究内容  19-21
第二章水下机器人混合推进原理与方案设计  21-33
  2.1 水下机器人混合推进原理  21-24
    2.1.1 水下机器人混合推进原理  21-23
    2.1.2 混合推进系统方案对比  23-24
  2.2 液压驱动系统原理方案设计  24-30
    2.2.1 液压驱动系统功能分析  24
    2.2.2 液压驱动系统工况分析  24-25
    2.2.3 液压驱动系统设计结果  25-28
    2.2.4 液压驱动系统原理方案  28-30
  2.3 喷水推进系统原理方案设计  30-32
    2.3.1 喷水推进系统总体方案  30-31
    2.3.2 水泵的选取  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章液压驱动系统仿真研究  33-50
  3.1 基于MATLAB/SimHydraulics 与ADAMS 的系统建模  33-36
    3.1.1 液压驱动系统建模  33-34
    3.1.2 机械系统建模  34
    3.1.3 联合仿真系统建立  34-36
  3.2 液压系统执行性能仿真分析  36-42
    3.2.1 Simulink 仿真基础  36-37
    3.2.2 液压系统仿真结果  37-38
    3.2.3 液压系统仿真结果讨论  38-40
    3.2.4 喷口转向控制仿真及分析  40-42
  3.3 基于自适应控制的液压驱动系统仿真  42-49
    3.3.1 喷口转角驱动阀控缸部分传递函数的建立  42-44
    3.3.2 喷口转角驱动阀控缸自适应控制系统设计  44-47
    3.3.3 喷口转角驱动阀控缸自适应控制仿真分析  47-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章水下机器人流体动力学仿真分析  50-70
  4.1 水下机器人流体动力学仿真  50-57
    4.1.1 CFD 仿真理论简介  50-52
    4.1.2 模型建立与网格划分  52-53
    4.1.3 参数设置与求解  53-54
    4.1.4 结果与讨论  54-57
  4.2 航行阻力分析  57-60
    4.2.1 水下航行阻力简介  57-58
    4.2.2 水平定向前进水阻力  58-60
  4.3 外流场特性分析  60-65
    4.3.1 外形对流场特性的影响  60-63
    4.3.2 进水口位置对流场特性的影响  63-64
    4.3.3 外流场特性仿真分析总结  64-65
  4.4 喷水过程CFD 仿真  65-69
    4.4.1 三种喷口结构  65-66
    4.4.2 喷口内外流场仿真分析  66-68
    4.4.3 对比分析  68-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章喷水推进系统试验研究  70-80
  5.1 喷水推进力的动量计算法  70-72
    5.1.1 推力的形成  70
    5.1.2 理想推进效率  70-71
    5.1.3 推进系统的流量控制  71-72
  5.2 喷水试验系统设计与研究  72-79
    5.2.1 喷水试验系统设计  72-73
    5.2.2 试验系统中的数据关系  73-74
    5.2.3 试验系统的误差项  74-75
    5.2.4 试验结果分析  75-78
    5.2.5 关于推进效率的讨论  78-79
  5.3 喷水推进系统研究总结  79
  5.4 本章小结  79-80
第六章全文总结与展望  80-82
  6.1 全文工作总结  80-81
  6.2 工作展望  81-82
致谢  82-83
参考文献  83-85
作者在学期间取得的学术成果  85

水下机器人喷水矢量推进与液压驱动技术研究

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