混合驱动的水下无人航行器总体设计与性能研究

摘要

混合驱动无人水下自主航行器是目前世界上一类新型的无人水下自主机器人，该类型航行器结合了水下滑翔机和水下自主航行器的优点。可以采用水下滑翔模式运动，完成大航程、长时序的观测需求，也可切换为推进模式运动，完成对特定区域的探索任务。针对中国海洋发展战略，国内需要多款不同类型的无人水下自主航行器来建立三维、立体化的海洋观测网络。 本文以国家预研基金项目为基础，针对我国海洋发展战略，开发了一款新型混合驱动的无人水下自主航行器。该航行器外形采用仿生鳐鱼设计，具有大翼展的特征，既拥有飞翼式水下滑翔机高升阻比、稳定性高和搭载能力强的优点，也有普通水下滑翔机灵活性高和操纵性好的优点，是一类新型无人水下自主航行器。不同于一般无人水下自主航行器在尾部装有推进器，该航行器还在水翼下方对称搭载有推进器，可大大提高在水中的操纵性与回转性，并可在水中完成水平推进运动、空间绕圆运动和空间螺旋运动，还可以突破目前国际海域内，普通水下机器人无法突破的中尺度漩涡。 本论文，在充分调研国内外水下机器人的研究概况情况下，采用模块化设计与CFD数值计算相结合的设计方法进行了该航行器的总体设计与内部各系统单元设计。并在总体设计的基础上完成了该航行器的水动力特性分析和航行器与螺旋桨的耦合运动分析。最后，经过两者的循环迭代完成了该航行器的设计目标并进行了相关设备的选型，为控制系统的搭建和真机的组装提供了研究基础，进而验证本文设计方法的正确性和CFD数值计算方法的有效性。本文主要研究成果和创新点为： 本文创新性的提出了一种新型的混合驱动无人水下自主航行器的设计方法，并设计出了一种新型混合驱动无人水下自主航行器。该航行器最大工作深度水下1000m，最大推进航速1.5kn，最大续航力300km。 采用模块化设计、三维实体建模和CFD数值模拟相结合的设计方法，完成了航行器的外形设计、耐压壳体设计、浮力调节系统设计、姿态调节系统设计、控制系统、推进系统和抛载系统的设计。并基于静力学计算完成了各系统之间的优化与整体模型的装配。 基于该航行器的总体设计，进行了航行器的受力分析，采用了CFD的数值模拟方法，完成了航行器的水动力性能计算、最优攻角计算和螺旋桨的敞水性能预报。 以动力学为基础建立了航行器空间六自由度运动数学模型，采用CFD数值模拟方法，以动网格、滑移网格和多计算域的技术完成了航行器的本体与螺旋桨耦合的动力学性能计算研究。计算出了航行器在推进模式下和滑翔模式下的运动特性。 本文将模块化设计方法、三维实体建模与CFD数值仿真相结合，最终完成了大翼展混合驱动无人水下自主航行器的创新性设计，并模拟了实际工程中的运动情况，在此基础上完成了航行器设备的选型，为航行器控制系统的搭建与调试、真机的制造与组装提供重要指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 国外水下滑翔机研究现状

1.2.2 国外自主水下航行器研究现状

1.2.3 国外混合驱动水下机器人研究现状

1.2.4 国内水下滑翔机研究现状

1.2.5 国内自主水下航行器研究现状

1.2.6 国内混合驱动水下航行器研究现状

1.2.7 混合驱动无人水下航行器发展趋势

1.3 本课题的来源及研究意义

1.4 论文主要研究内容和创新点

第2章 CFD基本理论与数值方法

2.1 计算流体动力学简介

2.2 计算流体动力学软件FINE/Marine简介

2.3 数值计算方法

2.3.1 基本控制方程

2.3.2 湍流计算模型

2.3.3 边界条件

2.3.4 网格划分

2.4 本章小结

第3章 混合驱动的无人水下航行器总体设计

3.1 引言

3.2 HUG总体设计

3.2.1 设计目标与功能要求

3.2.2 HUG工作原理与运动过程

3.2.3 模块化设计与布局

3.2.4 结构平衡准则

3.2.5 HUG的总体平衡设计

3.2.6 静力学计算

3.3 HUG水动力外形设计

3.3.1 HUG的外形设计流程

3.3.2 机身线型设计与选择

3.3.3 水翼设计

3.3.4 尾翼的设计

3.4 HUG耐压壳体设计

3.4.1 壳体结构设计

3.4.2 艏部导流罩设计

3.4.3 浮力调节系统舱设计

3.4.4 姿态调节系统舱设计

3.4.5 控制系统舱设计

3.4.6 耐压壳体密封设计

3.4.7 耐压壳体有限元分析与计算

3.5 HUG浮力调节系统设计

3.5.1 浮力调节系统设计流程

3.5.2 浮力调节单元总排量计算

3.5.3 浮力调节系统设计

3.5.4 油路设计

3.6 HUG姿态调节系统设计

3.6.1 姿态调整机构的设计流程

3.6.2 姿态调整机构工作原理

3.6.3纵倾角计算

3.6.4 电池重量计算

3.6.5 姿态调节系统设计

3.7 推进系统设计

3.7.1 水下推进器选型

3.8 抛载系统设计

3.9 控制系统设计

3.10 本章小结

第4章 混合驱动的无人水下航行器水动力特性研究

4.1 引言

4.2 HUG滑翔模式受力分析

4.2.1 升力与阻力分解方式

4.2.2 力矩平衡

4.3 数值方法标定

4.4 HUG仿真模型建立

4.4.1 HUG计算模型选取

4.4.2 HUG模型网格划分

4.4.3 HUG网格收敛性验证

4.5 HUG最优航行攻角计算

4.5.1 计算工况的设定

4.5.2 求解参数与边界条件

4.6 计算结果与分析

4.6.1 不同攻角下的阻力变化特性

4.6.2 不同攻角下的升力变化特性

4.6.3 不同攻角下的俯仰力矩变化特性

4.6.4 不同攻角下的升阻比变化特性

4.6.5 水动力参数

4.6.6 压力场分布与分析

4.6.7 速度场分布与分析

4.6.8 涡量场分布与分析

4.7 HUG螺旋桨敞水性能计算

4.7.1 导管螺旋桨模型建立

4.7.2 求解参数与边界条件

4.7.3 导管螺旋桨计算结果与分析

4.8 本章小结

第5章 混合驱动的无人水下航行器耦合运动特性研究

5.1 引言

5.2 坐标系定义

5.3 HUG仿真模型建立

5.3.1 HUG计算模型选取

5.3.2 HUG计算模型网格划分

5.3.3 HUG计算工况表

5.3.4 求解参数与边界条件

5.4 计算结果与分析

5.4.1 直航模式下的数值模拟

5.4.2 推进模式下的空间回转运动

5.4.3 HUG向下滑翔数值模拟

5.4.4 HUG上浮数值模拟

5.5 本章小结

总结与展望

全文总结

研究工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢