水下机器人水动力学系数计算与操纵性能研究

摘要

大海深处蕴藏着丰富的宝藏及诸多不为人知的奥秘，作为打造海洋强国必需的利器，水下机器人可以助力人类大踏步地向“深蓝”挺进。它们工作于复杂多变的海洋环境，具有高度非线性和时变的水动力性能，精准的水动力系数对其安全性、经济性和适用性都有着重要影响。所以在水下机器人的研发过程中，设计人员需仔细研究并依据其水动力特性进行线型及水动力布局（操纵性）的设计。本文就是针对水下机器人水动力性能及运动进行了一系列相关探究。
　　目前以计算流体力学为基础的数值仿真法以能较好地处理粘性绕流问题而当选为研究水动力性能的重要工具，这种方法不仅可以得出水动力系数，同时还能得到压力场、速度场和尾流场，设计者可以更加直观地发现水下机器人的外形、附体等对周围流场的影响。本文基于目前通用性较强的计算流体力学软件—FLUENT，对选定的水下机器人进行水动力仿真模拟，用Matlab曲线拟合求解出空间运动的一阶水动力系数，并进行了动力学仿真。
　　对于水下机器人来说，只有具备良好的操纵性，才能既稳定又迅速地控制水下机器人的航向、航速，才有利于其成功规避各种障碍物以准确地执行各种机动运动。在水下机器人设计初期，为了预估其水动力特性及操纵性能，需要我们首先建立正确的空间运动方程式。本文考虑水下机器人的自身结构特点，并依据其所受外力建立了可操作性较强的六自由度动力学简化模型，然后对其水平面垂直面内的稳定性进行了详细计算分析，并对几种典型的运动状态进行了模拟，最终对AUV操纵性能的优劣进行了初步预报及综合评价。
　　截至目前为止，水下机器人的多项研究进展令人欢欣鼓舞，但仍有许多关键技术还未突破。而制约其多项关键技术攻破的难题之一便是水动力学问题，急需国内大量从事水动力学研究的专家更多地致力于这一领域的研究，共同推动我国水下机器人技术水平跨越式向前迈进。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究背景及意义

1．2 水下机器人发展现状与趋势

1．3 水下机器人水动力系数的研究现状

1．4 论文主要研究内容

2．1 引言

2．2 AUV模型

2．2．1 模型几何相似

2．2．2 流场几何相似

2．2．3 动力相似

2．3 网格划分及边界设置

2．3．1 控制域选取

2．3．2 边界条件定义

2．3．3 网格划分

2．4 雷诺时均方程及湍流模型

2．4．1 雷诺时均方程

2．4．2 湍流模型

2．5 求解及后处理

2．6 水下机器人水动力仿真计算

2．6．1 位置力项计算

2．6．2 旋转力项求解

2．7 水动力学系数近似推算

2．8 本章小结

3．1 引言

3．2 坐标系的确定

3．2．1 坐标系的建立

3．2．2 坐标变量

3．2．3 坐标系之间的转换矩阵

3．3 水下机器人的动力学方程

3．3．1 动量和动量矩方程

3．3．2 受力分析

3．3．3 动力学方程的一般表达式

3．4 水下机器人动力学仿真

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 水平面的操纵性分析及运动仿真

4．2．1 水平面的运动稳定性分析

4．2．2 水平面的运动机动性分析

4．3 垂直面的操纵性分析及运动仿真

4．3．1 垂直面的运动稳定性分析

4．3．2 垂直面的运动机动性分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢