面向AUV回收的拖曳稳定翼设计及运动特性分析

作     者：任方通 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈延礼

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：拖曳稳定翼 水动力计算 动力学模型 动态环境 运动特性分析 

摘      要：随着无人船(Unmanned Surface Vehicle,USV)和自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技术的蓬勃发展,多海洋平台协同协作发展成为大势所趋,其中,USV自主回收AUV是一种富有发展前景和吸引力的AUV回收方案。本文针对USV自主回收AUV技术方案中拖曳稳定翼的设计、水动力参数计算和拖曳系统在动态环境中的运动特性展开研究,具体研究内容如下: (1)设计了一种用于AUV回收的新型拖曳稳定翼,求解了其水动力参数。提出了一种基于naca翼型的拖曳稳定翼构型方式,使用计算流体力学(CFD)方法计算了不同截面翼型下稳定翼主体的压阻比,确定了最佳截面翼型;在此基础上,搭建基于代理模型技术的优化设计平台,完成了拖曳稳定翼的参数优化设计;针对优化后的拖曳稳定翼,使用CFD方法计算了其水动力参数,包括附加质量、粘性类水动力和尾舵力(力矩)系数;搭建了实验样机,开展了初步拖曳实验,拖曳实验过程中稳定翼深度及姿态变化符合预期。 (2)建立了拖曳系统耦合数学模型以描述其空间运动状态。分别建立惯性坐标系、拖体坐标系和拖缆节点坐标系作为描述拖曳系统空间运动状态的基础,基于坐标系变换和欧拉运动定律建立拖体六自由度非线性动力学模型和运动学模型,使用质量集中法建立拖缆数学模型,根据工况构建耦合边界条件描述拖体与拖缆之间的相互作用关系,进一步给出了拖曳系统垂直面数学模型的具体表达;在此基础上搭建仿真模型,仿真分析了拖曳系统的直航运动特性,仿真结果表明,不同拖曳速度下,拖曳稳定翼的稳态深度和稳态俯仰角均保持稳定,尾舵具备调整拖曳稳定翼深度和姿态的能力。 (3)搭建仿真程序,仿真分析了拖曳系统在动态环境中的运动特性。仿真分析了拖船速度波动和位置振荡对拖曳系统运动状态的影响,仿真结果表明,拖船速度波动和位置振荡会引起拖曳稳定翼稳态深度、稳态俯仰角和拖缆首端张力发生等周期波动;推导了海流、海浪干扰下拖曳系统的数学模型并搭建仿真程序,仿真分析结果表明,海流影响下,拖曳稳定翼深度、俯仰角和拖缆首端张力的稳态数值发生变化但保持恒定;海浪影响下,拖曳稳定翼深度和俯仰角的稳态数值变化不大但在小范围内高频波动,拖缆首端张力高频波动且波动范围较大。通过仿真分析理论预报了动态环境中拖曳系统的运动特性,得出了规律性结论,为工程应用提供理论指导。 综上所述,本文设计了一种新型拖曳稳定翼,求解了其水动力参数,建立了拖曳系统耦合数学模型,仿真分析了动态环境中拖曳系统的运动特性。初步拖曳实验和仿真结果表明,本文研究的拖曳稳定翼可以为USV自主回收AUV提供一个相对稳定的动态对接平台。