水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析

在多变的海洋环境中,水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低的问题,提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集,并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型,根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性,同时与MC方法进行对比。结果表明:相比于MC方法,PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快,精度更高;运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系;缆长增大将导致末端的不确定性增大,且增大趋势逐渐平缓;拖缆参数不确定性一定时,增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时,拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。

潜器水下拖曳系统操作运动敏感性分析

为了研究潜器水下拖曳系统各参数对操纵运动响应的影响,采用缆索动力学数值仿真方法对拖曳系统的运动响应灵敏度进行分析。在集中质量法建立拖曳缆动力学方程的基础上,拖曳深度变化和拖曳缆张力变化作为分析指标,拖曳系统操纵运动为变速直线运动和匀速回转,计算系统各参数的敏感性指数,从拖曳操纵参数和结构参数两方面分析参数变化对潜器水下拖曳系统操纵运动的影响,通过敏感性分析确定不同参数对拖曳系统运动响应影响的重要性大小。有助于在工程应用中实现快速、正确地调节拖曳系统的运动状态,为设计潜器水下拖曳系统和简化系统的操纵运动方程提供理论支撑。

水下拖曳系统姿态建模与快速预报

文中将拖曳缆等效为多段刚性杆模型,对水听器阵与拖曳缆建立稳定状态下的力平衡和力矩平衡控制方程,采用非线性方程组的迭代求解方法进行数值求解,得到了基于多段杆模型进行非线性方程组求解的快速预报方法.与文献中实验的结果和围绕该实验数据进行的部分文献仿真结果进行了对比,在10与18.5 kn两种情况下,该计算与所进行对比的文献仿真计算结果的误差较小,并且与实验结果更为接近,验证了计算结果的准确性.结果表明:该数学模型可以快速解决拖曳阵姿态仿真问题,缩减了计算时间,实现了快速预极的目的.

水下拖曳系统水动力特性的计算流体力学分析

提出了一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由Ablow andSchechter模型给出,Gertler and Hargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合,从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。在研究中,拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近,每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体,或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果的比较表明,所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。利用所提出的水动力模型,对华南理工大学提出的自主稳定可控制水下拖曳体在实际海况下的数值模拟结果显示,所分析的拖曳体具有良好的运动与姿态稳定性,是一种值得开发研究的新型水下拖曳体。

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 .

水下拖曳系统稳定姿态仿真计算

建立了AUV拖曳系统水下拖缆的平面形状和张力的二维数学模型。通过对水听器形状不同的AUV拖曳系统在不同航速状态下的计算,比较各个状态下的拖曳系统的位形,在此基础之上结合拖曳系统的特性,提出了附加阻力的实验性设想,并给出了仿真计算结果进行分析,具有一定的工程应用价值。

水下拖曳系统运动姿态仿真研究

采用凝集参数法建立了水下拖曳系统的三维离散模型,该模型由一系列的质量点和不计重量的弹簧组成。采用数学模型编程对NCEL浮球实验和四个典型拖曳系统进行了仿真计算。计算结果表明此数学模型具有一定的理论意义和工程实用价值。

水下拖曳系统收放安全性的模拟计算

为了对置于潜艇尾部的水下拖曳系统在收放缆时的安全性进行评估,计算了螺旋浆和艇体的尾流近场.螺旋桨的计算采用升力面理论涡格法,艇体的计算采用无升力体面元法,并考虑两者之间的相互作用.建立了水下拖曳系统在非均匀流场中的力学模型,用有限差分法计算收放缆时拖缆的姿态.计算结果表明,收放缆时的安全性是有足够保障的.

计及空气介质的水下拖曳系统运动模型及其数值计算

为进一步提高水下拖曳系统运动仿真的准确性,本文建立了计及空气介质的拖曳系统运动模型,并提出了改进的有限差分方法来保证数值计算时的稳定性。仿真和试验表明,考虑空气介质后将进一步改善拖曳张力和缆形的计算精度,以及提高对双拖安全性分析的准确性。

水下拖曳系统临界运动特性快速确定方法

在进行水文要素的剖面测量时,拖体需要做起伏运动,预设轨迹的周期和振幅决定了测量精度和范围。为了实现拖曳系统的自主化控制,确定预设轨迹的可行性条件十分重要。文中基于尾翼摆动角与拖体攻角的线性化假设,通过反演拖曳系统的预设运动轨迹,建立了尾翼摆动控制的动力学模型,推导出尾翼摆动角的解析表达式。经典型算例验证,结果与试验数据具有一致性。进一步,采用建立的模型快速确定水下拖曳系统的临界运动特性,以及母船前行速度与拖体起伏运动的协调关系,研究表明可将斯特努哈尔数作为预设轨迹能否实现的必要限制条件之一,该无量纲数与母船速度、预设轨迹的振幅和周期相关,反映了运动的非定常性。在斯特努哈尔数小于0.22范围内,可以通过控制尾翼摆动的方式,自主化实现设定运行轨迹。

水下拖曳系统中缆索的动力学方程

在对缆索曲线坐标系进行理论推导和对缆索水中受力进行分析的基础上 ,建立了水下拖曳系统中缆索的动力学方程 。

多分支多部件水下拖曳系统运动仿真(英文)

针对多分支多部件的水下拖曳系统特点,构造了杆和质点组成的通用力学结构;基于虚功原理建立系统动力学仿真模型;以仿真约束力处理浮体在水面的单双侧混合约束问题,避免了约束方程带来的复杂性。对典型系统的动态过程仿真结果表明,该模型可以获得系统的动态过程,正常收敛于稳态位置,浮体的水面约束与下沉过程均符合实际情况。

基于虚功原理的复杂水下拖曳系统稳态模型

为解决缆索中间存在大部件的复杂水下拖曳系统建模问题,将其简化为质心和铰接点多点受力的刚性杆结构,基于虚功原理建立系统的稳态动力学方程。详细分析了系统的虚位移关系和杆段的流体阻力算法,推导出矩阵形式的数学模型表达式,形式简洁,意义明确,便于求解。求解该非线性方程组,得到系统的欧拉角稳态位形。仿真计算结果表明,该模型能较好吻合实际情况,准确反映系统结构变化对稳定姿态的影响,有效解决带中间部件系统的稳态计算问题。

基于嵌套网格技术对控制动作下水下拖曳系统水动力特性的分析

本文运用重叠网格嵌套滑移网格技术,对匀速拖曳工况中水翼作正弦摆动、两侧导管桨交替正反转以及拖曳缆绳正弦收放等不同周期性控制动作下水下拖曳系统的水动力特性进行数值分析,研究水下拖曳系统控制动作与控制力、运动姿态、阻力以及拖曳缆绳拖曳力等特性及其相互之间的关系。分析结果表明,水下拖曳系统在控制动作下呈现出复杂的运动学与动力学特性,利用文中的水动力模型可以对水下拖曳系统水动力特性进行有效的预报。

水下拖曳系统定深和展开性能湖上试验研究

为研究水下拖曳系统定深和展开性能,捕捉各影响因素作用效果,本文通过拖曳系统湖上试验,分析了翼板攻角、航速、缆长对拖曳定深、展宽及干端拉力的影响规律,拟合了多元非线性回归函数,针对影响规律及函数拟合结果分别制定了水下拖曳系统定深、展开策略。试验结果表明:拖体及拖缆所受流体力的变化是引起定深和展宽改变的主要原因,降低航速、增加水平翼板下攻角、放缆能够增加拖体定深,增加垂直翼板攻角和放缆能够增加拖体展宽。对短缆拖曳系统而言,拖体定深或展宽需要进行调整时,可按增减翼板攻角-收放缆-改变航速的顺序进行。

海洋水下拖曳系统的安全设计与应急处置方法

为了满足海洋水下拖曳系统对海上作业的安全性需求,介绍基于收放系统所进行的安全设计与应急处置方法。为保障收放过程中的安全,给拖曳绞车配置扭矩传感器、接近开关等检测设备,并为控制阀设计了闭环检测功能。在海上拖曳作业期间,针对不同情况设计了相应应急处置程序以保证作业安全。湖、海试验表明:该系统的安全设计与应急处置方法达到设计目的,能够保障本系统安全运行。

水下拖曳系统拖曳缆检验方法的探讨

拖曳缆是水下拖体与拖曳平台之间的连接体,为水下拖曳系统的重要组成部分。主要承担电力传输、信号通信以及水下拖体布放、拖曳和回收时拉力的任务。拖曳缆质量的优劣不仅关系到水下拖曳系统是否能正常工作,更关系到水下拖体能否顺利回收的问题。本文系统地介绍了拖曳缆的检验方法及注意事项,希冀对于控制拖曳缆的产品质量有所帮助。

基于弹性微元的拖曳系统动力学研究

针对水下拖曳系统的水动力特性分析问题,提出一种全新的数值求解平台.该平台将求解过程分为拖缆和拖曳体两部分.通过增加微元内部阻尼,提升拖缆求解过程的瞬态计算稳定性,然后用力耦合方法将两部分耦合.与现有试验结果进行对比,验证本平台的有效性,分析拖曳速度、拖缆长度及海流扰动多种因素影响下的系统响应情况.结果表明,拖曳速度增加会减小拖曳体的沉深;拖缆长度增加在增大拖曳体深沉的同时会影响拖曳体纵倾角度的变化;相较于定常来流,在频率为1.57的非定常海流条件下,拖曳体的平均沉深减小0.07~0.11 m、周期性变化幅值为0.1~0.17 m,平均倾角减小0.4°~1.2°、倾角变化幅值为7.8°~9.8°,表明海流对拖曳体维持深度和姿态稳定带来不利影响.该方法可应用于拖曳系统的初步设计阶段,并且在计算合理性、计算速度与计算精度之间能够取得较好的综合平衡.

水下拖曳升沉补偿系统设计及其内模鲁棒控制

为补偿拖船升沉运动对拖体深度的影响并提高深度补偿精度,设计基于进油节流、回油节流切换控制的水下拖曳升沉补偿电液控制系统。提出具有外层升沉补偿控制子系统和内层位置伺服控制子系统双层结构的升沉补偿控制系统总体设计方案,其中外层子系统采集拖体深度,升沉补偿控制器输出拖缆绞车运动目标角位移,内层子系统在时变拖缆张力力矩干扰下实现对目标角位移的快速、无静差跟踪。针对内层控制子系统的被控对象——电液控制系统存在建模误差和参数摄动并承受时变拖缆张力力矩干扰的特点,应用内模控制策略完成了内层内模鲁棒控制器的设计。仿真和试验研究表明,内层位置伺服控制子系统抗干扰能力强,对系统建模精度要求低,参数整定方便,具有良好的动态性能。

水下拖曳升沉补偿系统的非参数模型自适应控制

水下拖曳系统拖曳作业时,拖船航速变化和升沉运动使拖体深度产生较大范围变化.为补偿拖体深度变化,本文提出了由外层深度升沉补偿控制系统和内层位置伺服控制系统双层结构的水下拖曳升沉补偿系统总体设计方案,运用基于紧格式线性化的非参数模型自适应控制方法设计了系统外层深度升沉补偿控制器.仿真研究表明,应用了非参数模型自适应控制方法的水下拖曳升沉补偿系统具有良好的动态性能和抗干扰能力.