50kg级水下自航行器整体水动力学性能优化设计

摘要

50kg级水下自航行器(小型AUV),因具有航速快、机动性强、造价低的特点,在军事和海洋资源开发等领域越来越受到人们的重视。水下自航行器的动力来源于自身携带的能源,因此提高能源利用率成为衡量AUV性能的一个重要指标。研究表明,减小航行阻力是提高AUV能源利用率的一个重要手段。为此开展AUV外形优化,降低其航行阻力成为AUV研究的一个十分重要的课题。本文以设计一款低阻水下自航行器为研究目标,探索在保证一定排水量的前提下,减少AUV水阻力的有效方法。围绕这一目标,本文开展了以下几方面的研究:
　　(1)根据课题提供的基础数据,在保证一定排水量的前提下,完成了水下自航行器原型机的低阻力外形设计,其主要包括主体的流线型回转体的剖面线型的选取、主体的水动力特性分析与设计,附体尾舵的翼型选取与设计,以及原型机的水动力性能分析。
　　(2)在原型机外形的基础上,基于多学科设计优化软件 Isight?,采用多目标遗传优化设计方法,对原型机外形进行了多目标优化设计,其主要内容包括 AUV模型的参数化设计、水动力计算的前后处理一体化与自动化、优化算法对计算结果的分析与处理,优化后外形与原型机的水动力性能分析对比。在保证一定排水量的前提下,获得了水下自航行器的最佳水动力外形,为以后的设计工作提供了依据。
　　(3)在优化的水下自航行器外形基础上,按照模块化设计方法,完成了AUV系统结构的设计与加工,其主要内容包括耐压壳体的设计、舱体间的连接与密封、方向调节装置的设计、推进系统中螺旋桨的设计和主推电机的确定等。为同类型 AUV设计与研发提供了参考依据。
　　(4)通过近似计算获取了水下自航行器的水动力系数。采用等值椭球体及等值平板的理论,近似计算得到了加速度系数、速度系数、舵角系数、角速度系数等 AUV的大部分水动力系数,为 AUV的操纵性能分析和水下试验提供了依据。

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表清单

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 水下自航行器概述

1.3 水下自航行器水动力学性能优化设计研究现状

1.4 课题来源及主要研究内容

2 水下自航行器外形初步设计及水动力计算

2.1 数值模拟理论基础

2.2 机体外型方案选型

2.3 尾舵水动力学设计与分析

2.4 水下自航行器原型机的水动力分析

2.5 本章小结

3 基于Isight的水下自航行器外形优化及水动力性能分析

3.1 多目标优化理论

3.2 多学科优化设计软件Isight简介

3.3 基于Isight的AUV外形优化流程的建立

3.4 AUV外形优化设计

3.5 优化前后AUV水动力性能分析对比

3.6 本章小结

4 水下自航行器系统结构设计

4.1 水下自航行器整体布局

4.2 耐压壳体的设计

4.3 模块化壳体连接结构设计

4.4 方向调节系统设计

4.5 推进系统设计

4.6 具体技术指标

4.7 本章小结

5 水下自航行器水动力系数的估算

5.1 附加质量估算

5.2 加速度系数估算

5.3 速度系数估算

5.4 舵角系数估算

5.5 角速度系数估算

5.6 水动力系数汇总

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历