深海AUV无动力垂直下潜运动特性研究

深海AUV(自主水下机器人)采用无动力下潜方式能有效节约能源,但是水平或小纵倾角姿态下潜用时较长,水平偏移大。为提高下潜速度,减小下潜偏移距离,对AUV无动力垂直下潜过程进行研究。使用四元数代替欧拉角得到AUV运动方程,并加入洋流和浮力数学模型,通过Simulink仿真模块建立AUV垂直下潜运动仿真方法,解决垂直下潜产生的姿态角解算奇异性问题。通过设置不同仿真工况,得到AUV垂直下潜运动状态量受负浮力、重浮心距离、舵角、初始纵倾角及环境扰动力的作用规律。结果表明,AUV采用垂直下潜方式,可实现较大的下潜速度,同时减小水平偏移距离;洋流扰动是垂直下潜运动产生水平偏移的主要原因;下潜深度6000 m时,浮力变化扰动导致末端下潜速度减小30%,下潜时间增加21%。

基于PID的ROV运动控制仿真

针对观察型水下机器人在水下运动时易受暗流、波浪影响,造成操控困难、系统稳定性差等问题,建立遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)不同运动的控制模型,考虑电机和导管螺旋桨推进器的传递函数对ROV控制系统的影响,确定定艏向和定深控制系统的闭环传递函数,结合模糊控制和比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制法,得到模糊PID控制器,基于MATLAB/Simulink环境进行ROV定深度运动仿真和ROV水平面艏向定偏角运动仿真。结果表明,与传统PID控制相比,模糊PID控制具有更优的ROV定艏向和定深度控制效果,不会发生超调现象,在抗干扰能力和响应速度方面具有明显的优势,可有效地实现ROV定艏向和定深度运动控制。

水下无人航行器高速航行下的运动特性及仿真控制研究

水下无人航行器具有水下活动范围大、机动性好优点,主要用于大范围地形地貌勘探,水下高速长航程航行时,水下航行器运动特性和姿态控制是研究重点。本文建立水下航行器垂直面航行运动模型,分析高速航行下的运动特性。为保证高速航行高效稳定,提出PID方法控制纵倾和滑模方法控制深度的组合控制策略。通过仿真试验,开展高速航行运动仿真研究。研究结果表明,在高速航行下,水下航行器会产生一定纵倾,且随着航速增加,纵倾影响会越大,高速状态放大了水下航行器外形上下轻微不对称的特性,诱导产生的垂向水动力及力矩增大,进而引起纵倾;在高速航行条件下,水下航行器能稳定保持定深度长距离航行,控制策略具有很好的适用性。

载人潜水器有机玻璃视窗蠕变-疲劳特性分析

通过对棒状有机玻璃试样进行短期蠕变试验,揭示载人潜水器视窗玻璃材料的蠕变特性。开展有机玻璃蠕变断裂试验,获得有机玻璃材料的蠕变断裂寿命,给出蠕变断裂时间和保载应力水平成双对数线性相关的结论及相应的线性拟合方程,并开展拉伸疲劳试验获得不同峰值应力下的拉伸疲劳寿命。对300 m观光潜器有机玻璃视窗在不同下潜深度下的应力水平进行分析,并结合基于线性累计损伤理论的时间寿命分数法,实现对300 m载人潜水器有机玻璃视窗考虑保载蠕变的疲劳寿命估算。

深海自主对接级联式视觉导引定位技术研究

针对深海工作站自主对接回收作业潜器的视觉定位问题,提出一种多类型标志的级联式导引定位策略,设计基于单目视觉定位的水下对接导引定位系统,采用改进k-means聚类算法进行多阈值自适应图像分割,实现对坞站预设的导引光源和AprilTag识别定位。分别在有、无自然光照条件下,开展水下导引定位与对接的水池试验,在水下存在大量悬浮颗粒和光照不均匀等条件下仍然取得较好的实际识别定位效果,验证了本文所提出方法的合理性和稳定性。

深潜装备材料发展关键技术研究

本文以深潜装备材料应用需求为导向,深入研究当前各国主要耐压壳体材料和固体浮力材料的应用现状及发展趋势。通过对材料的机械性能、化学成分等指标进行对比分析,提出了当前深潜材料发展遇到的系列技术瓶颈问题和相应解决方案。通过深入分析各国深潜材料的关键技术和性能指标,发现其总体趋势均向着高强度、低密度方向发展,但在尝试进一步提升材料性能指标时,却导致材料出现韧度降低、焊接性能差、吸水率增高等系列缺陷。因此,尝试研发各项性能优异的空心陶瓷和纳米复合材料等新型材料。陶瓷基复合材料和碳纳米管增强浮力材料以其优异的结构强度和抗压性能,必将大幅提升深潜装备的总体性能指标,成为深潜器的重要选材。

科考型自主无人潜航器在极地的应用以及未来发展趋势

随着极地科考朝更广范围、更深空间、更多数据的方向发展,无人装备开始高频出现在各国的极地科考队中,帮助科研人员对极地环境形成更为全面和深刻的认知。自主无人潜航器(autonomous underwater vehicle, AUV)凭借其自主无人且功能全面的优点,在新世纪逐渐成为了极地水下科考不可或缺的装备,故有必要对应用在极地的科考型AUV进行梳理并分析其未来发展趋势。文中首先对AUV进行了基本的介绍;然后总结了全球范围内30次极地AUV任务,分析了AUV在极地的主要用途和优势;而后叙述了AUV在极地应用时所遇到的挑战,并结合这些挑战对适用于极地的科考型AUV发展趋势进行了展望;同时也对适配AUV等无人装备的新一代极地科考母船的设计提出了思考。

水下航行器视觉控制技术综述

视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式,文中将该技术应用于水下航行器控制,并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景,然后对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍,并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下目标抓取作业等3个任务场景,对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析,最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。

基于粘聚力单元的平整冰与海洋桩柱结构相互作用机理研究

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂,往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题,然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性,不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此,有必要发展现有仿真技术,建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性,并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展,通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析,分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷,并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明,本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏,同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。

深海运载器无动力下潜姿态稳定性研究

大型深海运载器保持水平姿态无动力自由下潜过程中会产生横滚现象,影响后续运载器深海着陆坐底,为探究不改变运载器外形的条件下净浮力、稳心高和初始横滚角等可变参数对运载器下潜姿态的影响,使用基于二次本构关系(Quadratic Constitutive Relation,QCR)的SST k-omega方法,对深海运载器无动力下潜运动姿态进行计算。结果表明,在外形确定的情况下净浮力与稳心高会影响横滚角幅值与下潜速度,初始横滚角仅在下潜初期2个周期内有影响,不影响运载器横滚角幅值。并根据仿真结果拟合出横滚角幅值小于5°的净浮力与稳心高可选区域,以指导运载器与着陆器设计。

水下打捞机器人执行器部分失效的有限时间轨迹跟踪控制

[目的]旨在解决船载供电电压降低或控制系统电路腐蚀等原因导致的水下打捞机器人执行器出现部分失效的问题。[方法]考虑到深海鱼雷、载货沉船等工程打捞作业中复杂海洋情况的影响,采用终端滑模观测器对系统不确定扰动进行观测。利用容错控制和有限时间控制方法,在线估计执行器故障系数,设计一种具有终端滑模观测器的有限时间轨迹跟踪容错控制方案。[结果]该方案的系统输出平滑、稳定且能快速到达期望轨迹,同时,与传统容错控制方案相比,降低了水下打捞机器人控制系统的稳态时间,其横向位移降低了10 s,纵向位移降低了15 s。[结论]能够为水下工程机械的轨迹跟踪控制提供理论参考,并具有实际的工程意义。

欠驱动型ROV改进设计与纵倾优化

针对无人遥控潜水器(remotely operated vehicle,ROV)在高速航行时因受流场作用而导致纵倾幅值、纵倾角度变化较大的问题,提出通过搭配选择扩展底盘和尾翼结构参数的方法来实现欠驱动型ROV的零纵倾或微纵倾高速运动。基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM),通过壁面自适应细化算法,结合ROV的结构参数进行六自由度仿真实验,以模拟ROV的航行运动。对扩展底盘和尾翼高度不同的ROV分别进行数值分析,得到扩展底盘、尾翼的结构参数与ROV纵倾幅值、纵倾角度的关系。通过对航行表现相似的ROV的旋转力矩进行比较,确定了在相同扩展底盘条件下ROV的稳定性与尾翼高度的关系。开展了扩展底盘和尾翼结构优化正交实验,利用遗传算法对不同实验方案下ROV的纵倾数据进行了拟合处理。结合实际需求确定了扩展底盘和尾翼的高度,并通过实际测试验证了ROV纵倾优化设计方案的正确性。结果表明,合理搭配扩展底盘和尾翼的结构可有效减小欠驱动型ROV的纵倾幅值,从而实现ROV在无幅值补偿时的微纵倾航行运动。研究结果可为相关水下装置纵倾运动的改进提供参考。

深海装备耐压结构用有机玻璃的蠕变时温等效特性

基于WLF方程和陈化理论推导符合时温等效关系的蠕变本构方程,开展不同温度下的试样压缩蠕变试验,拟合得到有机玻璃的压缩蠕变本构关系,应用有限元方法探究深海装备观察窗蠕变变形的时温等效现象。试验结果显示,符合WLF方程的陈化理论蠕变本构关系能较好地描述深海工况下的有机玻璃压缩蠕变行为;外加应力一定时,有机玻璃在4℃时的蠕变应变-时间曲线相当于将40℃时的蠕变应变-时间曲线沿时间轴拉伸9.36倍,该等效关系可为深海服役环境下有机玻璃耐压结构的加速蠕变试验设计提供参考。

全海深潜水器载人舱球壳模型疲劳试验研究

载人舱球壳作为全海深载人潜水器最关键的部件,在潜水器下潜及上浮过程中需承受交变海水压力,对结构长期安全性来说是一个巨大的考验。为考核全海深载人潜水器载人舱球壳疲劳性能,本文首次对内径800mm的载人舱钛合金球壳缩比模型开展疲劳试验研究,分析疲劳载荷对球壳形状、焊缝残余应力、关键部位结构应力、缺陷萌生和扩展的影响,为全海深载人潜水器载人舱球壳的疲劳性能和结构安全性评估提供试验依据。

冲击波和破片联合作用下U型夹层板毁伤特性研究

为提升舰船抗爆防护性能,探究船用夹层结构在冲击载荷下的毁伤机理,本文设计并开展船用U型折叠式夹层板近距空爆试验,分析夹层板在冲击波载荷作用下的变形及破坏模式,并进行有限元仿真分析。在此基础上,通过在炸药底部预制破片群,研究冲击波与破片联合作用下夹层板的毁伤特性,从面板破口大小、竖向位移和能量吸收三个方面,讨论面板厚度和爆距对夹层板抗爆性能的影响规律。结果表明:在冲击波与破片联合作用下,夹层板上面板的破坏形式为挠曲大变形、边界撕裂、冲塞破口和分散穿孔;下面板以挠曲大变形和凹坑为主;上面板破口形状随上面板厚度增加由“蝶形”向“类圆形”转变,此时上面板和芯层为主要吸能构件;夹层板中心区域的变形对爆距减小较为敏感,而边缘区域变形量无显著变化。夹层板的总吸能、下面板和芯层的吸能量和占比均随上面板厚度减小而增大,下面板和芯层厚度的改变对夹层板整体吸能及各部分占比影响较小。

纳米限域Couette流边界气泡减阻机理

气泡减阻技术对于提高水下航行器推进效率,降低航行过程中的综合能耗具有重要意义.本文采用分子动力学方法研究了气-液两相Couette流在平行壁板纳米通道内的流动特性和气泡边界减阻特性,分析了表面润湿性、壁面粗糙度和气体浓度对边界滑移速度和减阻效果的影响规律.研究结果表明:气泡减阻效果随边界滑移速度的增大而增强;在气-液两相流动区域,随着剪切速度的增大,边界吸附气泡的横向变形和边界滑移速度增大,边界气泡减阻效果增强.固-气相互作用强度和气体浓度增大均导致气体原子在近壁面的富集现象增强,提高了壁面上气泡的铺展特性,从而增大了固-液界面滑移速度.壁面粗糙度会改变气泡的铺展特性,影响边界滑移速度,进而改变流固界面减阻效果;随着肋高的增大,气体原子在肋条间凹槽中聚集,肋条上表面气体原子吸附量减少,导致固-液界面边界滑移速度减小,并最终降低了减阻效果.研究结果将对大型舰船和水下航行器边界减阻技术提供重要理论指导.

跨介质航行器动力学前沿技术研究进展

近年来跨介质装备受到船舶与海洋、航空航天以及兵器等领域的高度重视,与跨介质航行器相关的总体方案、关键技术、研究方法以及使用效能等成为研究热点。文章阐述了跨介质航行器动力学相关研究背景,综述了航行器入水砰击、出入水流固耦合、跨介质仿生、跨介质动力与推进、新质跨介质装备、跨介质动力学试验与仿真技术等方面的最新研究成果和研究进展,并展望了跨介质航行器发展需要解决的若干前沿关键技术,以期为促进海空界面动力学与无人系统研究提供借鉴。

深海载人装备耐压结构用钛合金应用现状与展望

耐压结构材料是支撑海洋装备“下得去、上得来”的基础,钛合金以其质量轻、强度高、耐腐蚀的特点而成为深海载人装备耐压结构的优选材料,具有良好应用前景。该文简述了潜艇、深潜器、深海工作站和水下实验室等典型深海载人装备及其耐压结构材料的发展历程和研究进展,介绍了我国的钛工业发展现状、海洋工程用钛合金材料体系、钛合金耐压结构加工制造技术以及设计与试验研究等方面的研究基础,并结合大型深海装备钛合金结构的技术特点分析了耐压结构用钛合金的关键科学技术问题和应用需求,为深海载人装备耐压结构用钛合金的未来发展提供参考。

超高强度钛合金球壳设计计算方法适用性研究

为研究现行潜水器耐压结构设计计算方法对超高强度钛合金球壳结构的适用性,本文采用理论和数值方法,以目标结构参数(屈服强度ReH≥1250 MPa,内径Ri≥150 mm,工作深度H=11000 m)的钛合金球壳结构为研究对象,选取最小球壳厚度,计算结构应力和极限承载能力破坏压力,进而与设计计算方法控制标准进行对比。结果表明,在选取球壳厚度时,应在最小厚度计算结果的基础上小量增加球壳厚度,即可使现行设计规则球壳应力条款适用于新型超高强度钛合金球壳结构。

翼身融合水下滑翔机耐压舱固定架多保真度优化设计

[目的]翼身融合(BWB)水下滑翔机在吊放过程中易发生结构破坏,为保证其结构安全性的同时实现轻量化设计目标,对其内部耐压舱固定架进行优化设计。[方法]采用多保真度数据驱动优化方法,结合结构参数化建模方法和有限元方法,开展BWB水下滑翔机内部耐压舱固定架结构设计。建立舱体固定架结构的高、低保真度数值模型,提出一种基于分层Kriging模型的多保真度数据驱动优化方法,基于该方法搭建舱体固定架全自动优化设计框架,并完成舱体固定架的优化设计。[结果]结果表明,在保证结构安全的前提下,优化后舱体固定架质量减小了16.4%,且所提出的优化设计方法与粒子群优化算法相比,在获得同等水平优化设计结果时,可减少75%的计算耗时,显著提高了优化设计效率。[结论]研究方法及结论为BWB水下滑翔机耐压舱固定架结构设计提供了一种高效的优化设计途径。