双控制方式下带缆水下机器人轨迹跟踪与水动力响应分析

本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程,通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系,与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型;其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法,建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型;最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明:本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的,垂向运动控制过程中,水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm;对于PID算法,调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果,模拟值与实验值相差均不大;轨迹跟踪模拟计算沿水平(X轴)方向和竖直(Z轴)方向最大相对误差分别为10%和15%;水下机器人竖向(沿Z轴)运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定,沿水平(X轴)方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制;机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响,而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

斜流中水下机器人的导管桨水动力性能研究

为研究斜流对水下机器人导管螺旋桨水动力性能与流场特性的影响,本文基于计算流体力学方法,采用滑移网格技术,对某自主研发的水滴流线型柱体结构水下机器人系统模型进行数值模拟计算。结果表明,在斜流中随着斜流角度在一定范围内增加,螺旋桨产生的推力也会相应地有所增加;斜方来流会导致伴流场的不均匀性与周向速度分布不均匀。在不同的斜流角度下,螺旋桨压力云图也表现出一定的变化规律。

水下潜器导管螺旋桨在转艏摆动中的推力特性分析

采用多重滑移网格技术和计算流体力学(CFD)方法对作为水下潜器主要控制机构的导管螺旋桨在水下潜器各子系统流场影响下作转艏摆动时的推进特性进行数值模拟,研究了潜器组合体流场对导管螺旋桨所发出的推力的影响,对水下潜器系统中导管螺旋桨在其转艏摆动中的所发出的推力的规律进行了总结,并分析了水下潜器组合体与导管螺旋桨的水动力相互影响因素.计算结果表明:水下潜器组合体流场对导管螺旋桨的推进特性有不可忽略的影响,其中导管螺旋桨前端的鱼雷状浮体是影响其推进特性的主要因素,在其水动力相互影响区域长度范围内,浮体与螺旋桨之间轴向距离越小,螺旋桨所发出的推进力越大;鱼雷状浮体对导管螺旋桨推进特性的影响主要是通过改变螺旋桨盘面处的进速来体现.在研究水下潜器系统中导管螺旋桨推进力特性时,只有将潜器组合体与所研究的导管螺旋桨组合成为一个整体、同时将这样一个组合整体结合到水下潜器系统具体的运转环境来进行计算才能得到一种符合工程实际的结果.

带缆遥控水下机器人水动力数学模型及其回转运动分析

提出了一种新型的带缆水下机器人系统三维水动力数学模型。在该模型中脐带缆的控制方程由脐带缆任一微段中的力的平衡条件导出,在此基础上以该脐带缆的控制方程为核心,通过引入脐带缆与水下机器人连接点的边界条件而建立起整个系统的三维水动力学数学模型。数值模拟中作用在机器人主体上的水动力载荷和旋转导管螺旋桨的控制力在考虑了它们之间的相互影响基础上以计算流体力学方法求出。该模型的主要特点是克服了现有的带缆水下机器人系统水动力数学模型将系统各组成部分割裂处理、缺乏从系统整体理论框架中去观察脐带缆、水下机器人主体和螺旋桨推进器水动力特征的缺陷,从一种综合、整体的观点去观察分析带缆遥控水下机器人的动力状态。水下机器人在导管螺旋桨作用下回转运动的数值模拟结果表明,利用所建立的数学模型可以对带缆水下机器人水动力状态进行有效的数值模拟。

拖曳式多参数剖面测量系统水动力与控制性能研究述评

综述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力学研究的最新进展。对拖曳缆绳、拖曳体以及将两者耦合起来所构成的整个系统水动力及控制理论进行述评,分析了各种理论的优缺点从中简要地描述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力研究的发展概要。

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.

桁架式近海结构物整体波浪荷载分析

计算与分析近海结构物的整体波浪荷载是结构物设计阶段的一个重要环节.文中以由不同直径、方向和长度的圆柱形水下杆件构成的桁架式近海结构物为对象,首先根据Morison方程逐一计算组成桁架式结构的每一杆件的波浪力,然后对这些单一杆件的波浪力进行叠加来得到结构物的整体波浪荷载.数值分析结果表明:结构物对波浪的整体响应程度主要取决于结构物的几何尺度与波浪环境参数(波高、周期、浪向等)的相对关系.

二体水下拖曳系统的试验研究

介绍了一种将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统模型试验的方法 ,并借助这一方法探讨了二体水下拖曳系统的水动力性能 .试验结果表明 :将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统的试验可以取得令人满意的效果 ,它为水下拖曳系统模型试验提供了一种理想的手段 ;二体水下拖曳是一种使水下拖体在波浪环境下作业时保持稳定的简便、经济的水下拖曳方式 ,它能有效地减少水面拖曳点对水下拖体的波频扰动 ,保证水下拖体在恶劣的海洋环境下拖曳时的姿态稳定 ,是一种值得发展的水下拖曳系统 .

回转状态下导管螺旋桨水动力特性的数值模拟

采用滑移网格技术和计算流体力学方法,在导管螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程,以此模拟在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨的推力特性,观察螺旋桨在这一环境下的水动力现象.计算结果表明:当来流从尾部流向机器人时,对于尾导管螺旋桨,有机器人影响时其推力系数比无机器人时要小,对处于机器人舷侧的螺旋桨,有机器人时其推力系数比无机器人时要大;当来流从首部流向机器人时其情形刚好相反;而当机器人轴线与流向大致垂直时,有无机器人对螺旋桨推力系数的影响不大.

平底结构砰击作用下限制水域的流体动力特性

采用流体体积函数法VOF方法,考虑限制水域边界条件的约束因素,利用计算流体力学(CFD)商业软件Fluent求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域的Navier-Stokes方程,以分析与观察大型平底结构从一定的高度自由落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象.结果表明,采用文中所提出的数值方法可以对脉冲砰击压力作用于封闭或开放水域的水面所激发的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟.这一数值方法为工程上分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象提供了一种实用的手段.

水下潜器系统导管螺旋桨水动力特性及周围流场分布预报与分析

运用计算流体力学方法对水下潜器系统中导管螺旋桨在水下潜器转艏运动中螺旋桨周围的水动力现象进行观察,对在这样的工况下导管螺旋桨周围流场特征、进速、诱导速度、推力沿盘面和桨叶径向的分布,以及螺旋桨所发出的推力与螺旋桨周围流场之间的关系进行观察。计算结果表明:在一定的螺旋桨转速条件下,进速越小,螺旋桨所发出的推力也越大;由于导管出口处激发出的梢泄涡作用,导致盘面后叶梢附近轴向诱导速度降低、压力增大,该处叶面与叶背之间的压差也随之增大;螺旋桨的推力沿桨叶径向的分布呈现出半径越大,所产生的推力也越大的特点。

导管螺旋桨在空泡影响下的推力特性

在动网格与滑移网格技术结合的基础上引入空化模型构造的数值计算模型,以该模型对考虑空泡因素影响的高速旋转导管螺旋桨进行直线运动时的水动力特性进行数值模拟,观察螺旋桨在线运动工作条件下空泡的发生发展过程,研究了空泡因素对直线运动中导管螺旋桨周围流场以及推力特性的影响,分析了在空泡环境下不同转速、线速度对导管螺旋桨推力特性的影响.结果表明:对于高速旋转的螺旋桨,计入空化模型进行的数值计算可以比较客观的模拟桨叶产生空泡的发生与发展过程,以及由此而引起的螺旋桨水动力特性的变化;计入空化模型后,数值模拟与实验结果之间的最大相对误差要小于不计入空化模型时的数值模拟结果,进速或螺旋桨的转速越高,两者之间的差异越明显;空泡因素对螺旋桨叶水动力特性的影响不仅仅限于吸力面,对压力面同样有不可忽略的影响.

导管螺旋桨的推力、进速与诱导速度沿盘面的分布特征

运用计算流体力学方法对不同工况下导管螺旋桨的推力、转矩以及螺旋桨周围的流场特性进行观察,对导管螺旋桨盘面处的进速、诱导速度沿盘面的分布以及螺旋桨所发出的推力与周围速度场之间的关系进行分析。计算结果表明,由于导管出口处激发出的下游尾涡作用,螺旋桨推力、转矩、盘面的进速以及诱导速度分量的时域过程表现出了一种多次峰谷值振荡变化的动力学特征,轴向进速是影响螺旋桨推力、转矩变化的主要因素。文章结论有助于提高对导管螺旋桨推力产生机理的了解与认识,从而为设计出性能优良导管螺旋桨提供理论指导。

自主稳定可控制水下拖曳体的设计及控制性能

针对现有可控制拖曳体控制机构复杂、姿态不容易稳定的缺陷,提出并设计了一种自主稳定可控制拖曳体的样机.该拖曳体主要由可调节攻角迫沉水翼、方向稳定浮体和矩形主体组成,拖曳体的轨迹与姿态控制由主动迫沉水翼以及双尾推进器产生的力和力矩的改变来实现.水动力操纵试验表明:采用前述方法设计的拖曳体具有良好的姿态稳定性和更高的深度操纵效率,对其控制系统的设计要求也大大简化.

水下机器人逆向运动时导管螺旋桨推力特性的模拟

采用动网格和滑移网格混合技术,运用弹簧光顺和局部网格重构的组合式网格更新方式,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N-S方程。数值计算结果表明:采用动网格和滑移网格混合技术模拟水下机器人系统水动力是可以获得正确结果的;水下机器人系统在逆向运动、螺旋桨反转时,由于主体对水流的阻塞作用和外扩作用,使得后桨、左桨和右桨所处区域的水流轴向速度偏小,造成后桨、左桨和右桨所发出的推力都较单桨大。

基于动网格技术研究海流对水下机器人运动特性的影响

利用Fluent提供的六自由度求解器,采用动网格技术,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N-S方程,研究受海流影响下的水下机器人运动特性。数值计算结果表明:采用动网格技术进行六自由度运动模拟可以获得海流对水下机器人运动特性的影响;随着海流速度的增加,水下机器人运动的不稳定性逐渐增加,在运动后期会出现明显的偏航,且发生偏航的距离点随着海流速度的增加而提前;随着推力的增加,位移轨迹曲线的曲度逐渐减小,逐渐由曲线过渡为直线。

水下潜器回转运动状态下的推力特性研究

采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型,运用动网格与滑移网格技术,利用计算流体力学的方法模拟水下潜器做回转运动时导管螺旋桨的推力特性。其中对回转运动过程的数学模型进行分析,通过编写UDF对水下潜器回转运动方式进行控制。计算结果表明:本文提出的回转运动数学模型可以实现水下潜器的回转运动,对数值模拟结果的分析可以得知导管螺旋桨所产生的推力是趋于周期稳定变化的,由于回转运动的单向性,两侧导管螺旋桨所产生的推力值不相等,主要原因在于水下潜器主体以及来流等模拟环境条件的影响。

FPSO的特点与现状

FPSO系统作为海洋油气开发系统的组成部分,一般与水下采油装置和穿梭油轮组成一套完整的生产系统,是目前海洋工程船舶中的高技术产品。该系统对于边际油田、早期开采系统和深海油气田开发中有其独特的优势,近年来得到了大力的发展,已经成为海上油气资源开发的一种主要开采手段。本文对FPSO的特点、现状以及部分传统FPSO概念的延伸与扩展形式进行了概述和分析。

不同浪向的波浪载荷作用下导管架平台主桩强度分析

以包括泥面以下桩基在内的所有杆件所构成的桁架式导管架平台为对象,首先通过数值模拟计算组成导管架平台的每一构件的波浪载荷,然后以有限元算法建立包含了平台桩基土反力等因素的导管架整体结构的力学模型,将计算所得波浪载荷施加到该有限元力学模型上,以此通过数值计算手段分析平台中包括泥面以下主桩在内所有杆件的最大应力分布以及桩基的位移特征,从而对平台在特定的波浪环境下的平台主桩的安全性问题进行观察。所提出的方法可为导管架平台在波浪环境下主桩的强度特征分析提供一种实用手段。

基于模糊神经网络理论对水下拖曳体进行深度轨迹控制

以华南理工大学开发的自主稳定可控制水下拖曳体为研究对象,首先通过水下拖曳体在拖曳水池样机中的试验取得试验数据后作为训练样本,采用LM BP算法,建立基于神经网络理论构建的可控制水下拖曳体轨迹与姿态水动力的数值模型。在此基础上设计了一个控制系统,它主要由两部分组成:基于遗传算法的神经网络辨识器和基于模拟退火改进的遗传算法的模糊神经网络控制器。以满足预先设定的拖曳体水下监测轨迹要求为控制依据,由控制系统确定为达到所要求的运动轨迹而应采用的迫沉水翼转角,以此作为输入参数,通过LM BP神经网络模型的模拟计算预报在这一操纵动作控制下的拖曳体所表现的轨迹与姿态特征。数值模拟计算结果表明:该系统的设计达到了所要求的目的;借助这一系统,可以有效地实现对拖曳体的深度轨迹控制。