混合驱动水下滑翔机水动力参数辨识

与传统水下滑翔机相比,混合驱动水下滑翔机可以分别利用头部的浮力驱动单元和机身尾部的螺旋桨推进单元进行驱动从而实现不同形式的运动,具备低功耗、长航程、良好机动性等特点,具有广泛的应用前景.准确的动力学模型以及精确的水动力参数是实现混合驱动水下滑翔机控制系统设计以及精确导航的基础.在混合驱动水下滑翔机动力学模型已知的前提下获得准确的水动力参数是本文主要研究的问题.本文以天津大学研制的混合驱动水下滑翔机"海燕"作为研究对象,提出一种在有限航行参数条件下,基于大数据统计分析的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和参数辨识相结合来获取混合驱动水下滑翔机的水动力参数的方法.即首先建立滑翔机的动力学模型,推导出稳态数据与所求水动力参数的关系;然后采用CFD的方法得到其升力系数,根据大量稳态纯滑翔实验数据,结合大数据统计分析,辨识出其剩余水动力参数;最后,根据混合驱动模式下的实验数据辨识出与螺旋桨相关的参数,从而得到其整套的水动力参数.该方法不仅结合了CFD方法具有获取复杂外形结构航行水动力的特点,而且可以有效利用大量现场实验数据,因而能够更加准确地辨识其实际运动.通过运动仿真与试验对比,验证了该辨识方法的正确性和有效性,对滑翔机的研究具有指导意义.

基于Sobol’法的Petrel-Ⅱ水下滑翔机能耗参数灵敏度分析

水下滑翔机作为一种新型水下航行器,可通过浮力驱动实现多剖面连续运动.由于其强大的续航能力和较高的隐蔽性,被广泛应用于海洋调查和军事探测等领域.商业化水下滑翔机大多由自身携带的电池提供能源,由于电量限制,需开发更低功耗的水下滑翔机.本文基于动力学和流体力学理论,结合水下滑翔机工作流程和单元试验数据,建立了Petrel-Ⅱ水下滑翔机的单剖面能耗模型,海试数据表明,模型计算误差仅为实际能耗的1.3%,.采用Sobol’全局灵敏度分析方法得到了航行参数和设计参数对水下滑翔机能耗的1阶灵敏度和总灵敏度.结果表明,滑翔机下潜深度h、俯仰角度θ和航行速度V对单剖面能耗影响有着重要影响,其1阶灵敏度系数分别为0.388,8、0.227,2和0.138,0,总灵敏度系数分别为0.478,0、0.301,2和0.247,2.滑翔机纵向力系数Cx和横截面积S的灵敏度处于中间水平,其1阶灵敏度系数分别为0.044,0和0.034,5,总灵敏度系数分别为0.081,8和0.066,5.浮力驱动点位置lb、滑翔机总重G和垂向力系数Cy的1阶灵敏度系数和总灵敏系数均接近零,其值的波动对水下滑翔机单剖面能耗几乎不产生影响.

混合驱动水下滑翔机动力学建模与海试研究

从能量的角度出发,引入黎曼几何和仿射联络,基于微分几何理论建立混合驱动水下滑翔机动力学微分几何模型。基于上述模型,分析混合驱动水下滑翔机系统驱动方式、姿态调节方式及其航行过程中所受外部力与力矩作用,同时针对目前所研制的混合驱动水下滑翔机纵垂面"之"字形剖面滑翔运动进行数值模拟分析,得到控制输入量与混合驱动水下滑翔机运动特性之间关系,并将数值模拟结果与南海试验数据进行对比,验证了该动力学微分几何模型的有效性,为改善混合驱动水下滑翔机系统设计及其动力学行为预报提供参考依据。

基于VMD-LSSVM的水下滑翔机深平均流预测

水下滑翔机是海洋立体观测网络的重要组成部分.本文以天津大学“海燕-L”水下滑翔机为平台,针对其航行过程中易受到海流等因素影响发生航向偏离的问题,提出基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LSSVM)方法的深平均流(depth-averaged current velocity,DACV)预测模型,从而指导水下滑翔机进行有效航向修正或局部路径规划.首先,根据水下滑翔机运动原理,针对水下滑翔机剖面运动理论出水位置与实际出水位置的偏离现象,结合岸基操作与控制条件以及水下滑翔机的通信方式,建立了短数据精简深平均流计算模型;其次,对得到的深平均流数据按照时间顺序进行序列构造,得到了实时性多剖面深平均流历史序列,并利用VMD将其分解为若干分量序列;最后,基于LSSVM对深平均流数据进行预测,得到了未来深平均流预测数据.海试结果表明,在以4个剖面数据作为输入的情况下,VMDLSSVM的预测结果在经度、纬度方向的流速均方根误差分别为0.0257、0.0205,相关系数分别为0.9484、0.9737,优于LSSVM、经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的LSSVM(EMD-LSSVM)、长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)、EMD-LSTM及VMD-LSTM预测性能,更好地预测深平均流的数值并追踪其变化趋势,证明所提方法的有效性.

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ_(22)以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.

水下滑翔机路径规划研究综述及展望

水下滑翔机(UG)是一种新型的水下无人航行器,具有能耗低、效率高、续航力长、成本低、可重复使用等优点,能够满足长时序、大范围的海洋观测与探测需求。水下滑翔机作为一种观测探测平台,合理的路径规划是其执行海洋观测与探测任务的重要保障。首先,综述近年来有关水下滑翔机路径规划方法,将水下滑翔机路径规划算法的内容系统性地分为传统算法、智能优化算法和多算法融合3类,并结合实际应用场景对不同的路径规划算法性能进行比较;然后,对水下滑翔机路径规划过程中所涉及到的环境重构技术、环境感知技术、智能决策技术和水下定位技术等关键技术进行凝练与总结;最后,基于现有的发展趋势,对水下滑翔机路径规划未来的发展方向,如多算法共融规划、多机协同路径规划、融合时空和目的约束的多维空间路径规划和复杂非稳态环境下的精准路径规划等进行展望。

水下滑翔机纵垂面变浮力过程建模与控制优化

基于国产水下滑翔机“海燕-Ⅱ”的结构特点和控制特征,考虑不同深度下的海水密度和压强对水下滑翔机运动的影响,建立了一种精确的水下滑翔机动力学模型。该模型将水下滑翔机的前后导流罩和其他可浸水部分的海水质量作为水下滑翔机本身质量的一部分,并将水下滑翔机的回排油过程作为变质量过程,将海水的深度变化对其浮力的影响过程作为变浮力过程。此外,将电池包的前后移动量作为控制输入量、俯仰角作为控制输出量对该模型进行数值仿真,并结合南海海试数据与仿真结果进行对比,结果验证了该模型的有效性。最后,基于该模型以滑翔角作为控制变量,采用PID控制器进行数值仿真,结果表明通过该优化控制策略能显著提升水下滑翔机的运动性能。

基于水下滑翔机的海洋声学背景场观测技术

水下滑翔机作为新型水下无人平台,具有对海洋环境噪声进行长时序,大范围稳定观测能力。文中通过开展水听器与水下滑翔机集成应用研究,设计完成了具备海洋环境噪声测量能力的声学观测型水下滑翔机。基于水听器工作原理与水下滑翔机运动约束,并根据商用计算流体力学软件对流体水动力参数的计算结果,优化了水听器在水下滑翔机本体的安装位置。通过建立声学观测型水下滑翔机动力学模型,进行了运动仿真并确定最优运动参数,并于2019年5月在我国南海某海域进行了海上试验应用,获取了大量的水下滑翔机自噪声与海洋环境噪声数据。海上试验数据分析结果验证了声学观测型水下滑翔机的运动稳定性及其海洋声学背景场的观测能力。

邯钢冷轧新增机组MES系统扩充改造的实施

邯钢在2012年6月对东区CSP、冷轧的原有信息化系统进行了优化改造。根据市场形势的发展,邯钢公司决定在冷轧厂新建酸洗、热镀锌产线,为了更好地满足生产过程精细化管理和市场营销敏捷性的需求,最大限度地发挥设备能力,使生产管理水平和质量控制水平跃上一个新的台阶,在保障产品的高质量和销售合同完成率的同时,能够合理地减少库存,加快资金周转,邯钢公司计划针对新增的酸洗、镀锌冷轧机组进行信息化系统的同步扩充改造。

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台,具有持续性、鲁棒性、自主性等特点,是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开,基于国内外海洋学文献综述研究,重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续,观测高分辨率、低成本的特点,满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求;鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测;运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现,国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。

基于水下滑翔机观测数据的白令海海盆区域温度及溶解氧特征分析

基于2019年夏季中国第十次北极科学考察(“十北”科考)中“海燕”水下滑翔机观测的温度和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)数据,对白令海海盆区水团分类,及其温度和溶解氧分布特征进行了分析研究。结果表明:北极白令海海盆区水体一般由温度差异较为明显的上层水,中层水和深层水组成,其温度水平分布具有东高西低的特点,且随着深度的增加,水平温差逐渐减小。白令海上层水位于50 m以浅的位置,在约30~50 m深度处存在强温跃层,温跃层自西向东深度略有增加,且厚度不均匀,跃层强度约为0.31℃/m;白令海中层水位于50~250 m深度处,主要为冬季残留水,中层冬季残留水分布具有一定地区性差异,在此位置存在温度最小值,约为2.7℃;白令海深层水水体较稳定,温度随深度缓慢降低。对比垂直断面温度特征和溶解氧特征可知,白令海中层冬季残留水溶解氧含量较高,高于上层水团;在中层水与深层水之间存在氧跃层,氧含量从250μmol/L快速下降至50μmol/L,并随着深度的增加,在1000 m深处降至20μmol/L。

强扰动环境下水下滑翔机编队稳定性分析

随着海洋观探测技术的发展和日趋成熟,单一水下无人潜航器的应用已不能满足广域数据采集或军事探测任务的需求,因此,水下无人潜航器的编队协作成为发展的必然趋势。水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下无人航行器,具有广泛的军民应用前景。然而,在受到外界攻击或强气象条件扰动时,水下滑翔机编队必须进行动态变换以实现稳定构型,因此本文针对水下滑翔机编队在强扰动环境下多种构型的稳定性进行分析。首先,对目前国内外水下滑翔机编队应用的现状进行回顾,并介绍水下滑翔机的稳定性研究进展。其次,考虑编队队形的动态变化,提出一种基于复杂网络理论的稳定性评估方法,采用领航-跟随者对编队分别建立有无扰动下的运动学模型。最后采用实例分析,分别进行3种水下滑翔机编队构型稳定性的研究,验证了不同编队构型在强扰动环境下的稳定性。

关于变电站除湿装置的技术方案及实施的研究

笔者结合实际工作经验,对变电站除湿装置进行研究。简要的论述了变电站潮湿问题所带来的危害,并在简要介绍变电站除湿装置的主要组成及运作方式的基础上,阐述了变电站除湿装置的技术方案。经现实应用效果分析表明,本变电站除湿装置不但具有非常理想的防潮除湿性能,而且拥有非常理想的运行效率,值得大规模推广。

分段式避雷针防倒装置的研究与开发

避雷针对于防直击雷有着重要的作用。文章首先就变电所避雷针运行现状进行描述,提出防止避雷针倒塌的必要性;其次针对避雷针的结构,提出防倒装置的开发思路,并进行具体设计;再次对研究成果的应用情况进行分析;最后从其他角度就加强避雷针安全稳定提出见解。文章的研究层次清晰、内容详实,可作为相关工作的有效参考。

水下滑翔机多点探测能耗最低路径的规划方法

作为一种有前途的海洋现象自主观测平台,水下滑翔机通过调节自身净浮力和姿态实现空间运动。由于低能耗的驱动方式,水下滑翔机非常适合执行长期海洋探测任务。针对水下滑翔机的多点探测任务,本文提出一种能耗最低路径的规划方法。首先,建立了滑翔机整机动力学模型,推导了单剖面滑翔运动能耗模型。基于仿真结果,采用多项式拟合方法确定了滑翔机的能耗、航程、控制参数值和目标下潜深度之间的近似函数表达式。在运动路径给定条件下,研究了滑翔机能耗与剖面数之间的关系。在此基础上,将多点探测任务的路径规划抽象为旅行商问题(Traveling salesman problem, TSP),并基于遗传算法给出了该问题的求解方法。数值算例表明,该路径规划方法可有效降低滑翔机在执行多点探测任务时所需能耗。

变电站桩基选型经济技术研究

借鉴宁波软土地基以往的桩基设计及施工经验,针对邻江110千伏变电站的地质特点,模拟出钻孔灌注桩、预应力管桩、静钻根植管桩、静钻根植竹节桩等4种桩型的桩基设计方案,进行经济技术研究,选出最佳桩基设计方案,为将来桩基设计提供参考依据。

一种新型的锁口H钢桩支护结构自动计算与设计

以宁波市电力工程中的消防水池小型地下构筑物的基坑支护结构为研究对象,以某典型110 kV变电站工程的消防水池基坑支护设计为例,通过分析型钢水泥土搅拌墙,发现此类特定尺寸和深度的基坑,现有支护结构存在一定的局限性。因此,提出一种新型的锁口H钢桩支护结构自动计算与设计方法,先利用三维激光扫描仪对锁口H钢桩支护结构进行自动化三维重构,再借助启明星和理正深基坑设计软件对支护结构进行智能计算。最后,通过启明星基坑设计软件以及Plaxis有限元软件,对某典型110 kV变电站工程的消防水池基坑支护进行自动化计算分析,验证了该支护结构设计方法的智能性、可行性和可靠性,试图对通用图工程的支护结构设计和施工组织设计进行固化。