开架式ROV水动力特性与运动仿真研究

摘要

ROV（Remotely Operated Vehicle）作为一种水下运载工具，由于其经济费用低、工作效率高、能在复杂的深海环境下进行长时间作业等优点，已被广泛的应用于深海环境的观测与取样、管线的检测、安装、维护与修理等众多领域中。然而，由于海上作业环境复杂，因此开发与研制ROV水下作业仿真模拟培训系统，对作业人员进行培训，对水下作业方案进行预演，降低海上作业风险，提高安全性十分具有意义。
　　本文依托于国家科技重大专项《海洋深水工程重大装备及配套工程技术》的子课题“深水ROV作业培训装备与技术研究”，针对ROV水下作业仿真模拟培训系统对准确性与实时性的需求，基于开架式ROV几何不对称性以及运动特性，建立了一种新的适用于开架式ROV水动力模型;通过模型实验对开架式ROV几何不对称对不同成分的水动力产生的影响程度进行了量化研究，获得了开架式ROV几何不对称性对水动力系数影响规律，详细研究了开架式ROV水动力的耦合特性;采用集中质量法，考虑脐带缆的影响提出了满足实时仿真的要求的开架式ROV实时运动仿真的数学模型，以实现对开架式ROV水动力性能以及运动性能的预报仿真。本文主要的研究内容如下:
　　基于矢量化的建模思想完成了开架式ROV运动学动力学数学模型的构建工作。总结现有的ROV水动力模型建模研究工作成果，针对现有水动力模型存在的不足，摒弃了潜艇运动方程中的基于小扰动的以纵向直航运动为基准点进行泰勒展开的水动力建模方式，基于ROV作业特点与几何不对称性，提出了一种新的开架式ROV水动力模型。
　　根据开架式ROV运动特点与外型特性设计了模型实验对开架式ROV的水动力性能进行了研究，得到了构建开架式ROV水动力模型所需的水动力系数。特别是针对由ROV几何外型的不对称性所导致的水动力不对称性的影响进行了量化研究。所得到的实验结果还反过来用于对水动力模型进行改进，获得最终用于开架式ROV运动仿真的水动力模型，并对水动力模型的准确性进行了验证。
　　基于本文中提出的开架式ROV水动力模型，通过龙格库塔数值算法实现了对ROV单体运动的模拟仿真，根据运动过程中不对称性质的对比研究与讨论，进一步加深了对于由开架式ROV几何外型不对称性所导致的水动力不对称性以及运动的不对称特性的认知。
　　采用集中质量法对脐带缆进行受力分析与运动计算，提出一种适用实时解算开架式ROV耦合运动系统动态运动的数学模型。根据相关文献资料对数学模型的正确性进行了验证。并且针对不同的缆线分段长度与时间步长的划分方案进行了研究与讨论，为满足数值计算可靠性与ROV模拟器实时性要求的缆线节点与时间步长划分方案的选择提供了理论与数据支持。
　　利用所构建的开架式ROV耦合运动系统数学模型进行仿真实验。分析与研究开架式ROV自身的水动力性能、海流和缆线对于ROV运动性能的影响。同时还对水面母船运动下ROV的运动响应进行了研究与讨论。根据仿真结果总结了共性与规律，加深了对于开架式ROV水动力性能以及耦合系统运动特性的认识，也为实际的操纵作业过程提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1本文的研究背景及意义

1．2研究目的与意义

1．3 ROV发展概况

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4模拟器研究情况概述

1．4．1国外研究现状

1．4．2国内研究现状

1．4．3 ROV水下作业模拟培训系统简介

1．5开架式ROV水动力特性研究

1．5．1开架式ROV水动力模型研究

1．5．2开架式ROV水动力系数获取方法研究

1．6脐带缆运动计算方法研究

1．7本文主要内容

第2章开架式ROV运动学与动力学数学模型建模研究

2．1坐标系建立与运动参数的表达

2．2运动学模型

2．3动力学模型

2．4 ROV受力分析

2．4．1静力

2．4．2推进器推力

2．5开架式ROV水动力模型建模研究

2．5．1惯性水动力模型

2．5．2粘性水动力模型

2．6本章小结

第3章开架式ROV水动力性能模型实验研究

3．1实验模型与方案设计

3．1．1实验模型

3．1．2实验设备

3．1．3实验方案设计

3．2直航水动力特性研究

3．2．1直航水动力系数求取方法

3．2．2直航实验结果与水动力特性分析

3．2．3不同方向运动所引起的水动力系数比较研究

3．2．4直航实验结果讨论

3．3斜航水动力特性研究

3．3．1斜航水动力系数求取方法

3．3．2斜航实验结果及分析

3．3．3耦合粘性力与粘性水动力总量间的比较研究

3．3．4斜航实验结果讨论

3．4惯性水动力特性研究

3．4．1升沉、横荡实验数据处理与结果分析

3．4．2俯仰、摇首实验数据处理与结果分析

3．4．3纵荡实验数据处理与结果分析

3．4．4惯性水动力系数的分析与比较

3．4．5惯性水动力实验结果讨论

3．5水动力模型的改进

3．5．1惯性水动力模型

3．5．2粘性水动力模型

3．6粘性水动力模型精度验证

3．6．1直航运动

3．6．2垂直面斜航运动

3．6．3水平面斜航运动

3．7本章小结

第4章开架式ROV操纵性运动特性研究

4．1开架式ROV运动仿真数值计算方法

4．1．1运动仿真方程的建立

4．1．2运动仿真算法

4．2操纵运动仿真结果与分析

4．2．1纵向直航运动仿真

4．2．2垂向直航运动仿真

4．2．3回转运动仿真

4．3本章小结

第5章开架式ROV耦合运动系统数学模型与数值算法

5．1坐标系的建立

5．2脐带缆运动控制方程

5．3开架式ROV耦合运动系统数学模型与数值算法

5．3．1集中质量法数学模型

5．3．2初始条件

5．3．3边界条件

5．3．4开架式ROV与脐带缆的耦合运动边界条件

5．3．5耦合运动数值求解方法

5．4运动仿真验证

5．4．1缆线运动仿真验证

5．4．2开架式ROV与脐带缆耦合运动仿真验证

5．5数值计算可靠性与快速性研究

5．5．1脐带缆运动仿真研究

5．5．2开架式ROV与脐带缆耦合运动仿真研究

5．6本章小结

第6章开架式ROV耦合运动系统运动性能分析

6．1直航运动特性分析

6．2回转运动特性分析

6．3海流对运动的影响

6．3．1海流对直航运动的影响

6．3．2海流对回转运动的影响

6．4水面母船运动的影响

6．4．1水面母船纵荡运动的影响

6．4．2水面母船横荡运动的影响

6．4．3水面母船垂荡运动的影响

6．5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢