小型AUV殼體流線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨著海洋戰(zhàn)略資源地位的不斷增強(qiáng),小型自治水下機(jī)器人((Autonomous underwater vehicle, AUV)作為研究開發(fā)海洋的主要裝備之一,其各項(xiàng)研究水平直接決定各國(guó)的海底戰(zhàn)略地位。為實(shí)現(xiàn)無限制、遠(yuǎn)程、靈活、隱蔽性好及低成本等戰(zhàn)略目的,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)載體線型以減小水下機(jī)器人振動(dòng)噪聲以及減小阻力成為各國(guó)研究者不斷追求的目標(biāo)。
　　本文首先給出了小型AUV的線型設(shè)計(jì)理論及主要幾何參數(shù),提出了殼體設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求及主要設(shè)計(jì)原

2、則。在此基礎(chǔ)上給出幾種主要?dú)んw線型理論、性質(zhì)及編程實(shí)現(xiàn)方法,以循序漸進(jìn)的方式指出每種線型的優(yōu)缺點(diǎn),為下一步應(yīng)用復(fù)雜線型聯(lián)合算法實(shí)現(xiàn)殼體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)打下理論基礎(chǔ)。根據(jù)課題對(duì)水下機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)任務(wù)要求,建立參數(shù)化及非參數(shù)化模型為后文研究所用。
　　為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人真實(shí)的運(yùn)動(dòng)模擬,精確得到水下機(jī)器人在不同瞬時(shí)的性能,本文建立非穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型,利用Fluent UDF編譯水下機(jī)器人低頻振蕩非定常運(yùn)動(dòng),并采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)真實(shí)模擬出

3、二維水下機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動(dòng)環(huán)境,對(duì)比分析三種不同線型載體模型的水動(dòng)力特性,驗(yàn)證“海豚”線型仿生的優(yōu)越性,與后文定常分析遙相呼應(yīng),展現(xiàn)了定常替代非定常以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的方法的科學(xué)性及缺陷,為探討仿生優(yōu)化機(jī)理以及水下機(jī)器人非定常操縱的精細(xì)研究提供了前期準(zhǔn)備。
　　然后采用CFX技術(shù),進(jìn)一步從三維分析角度,探討了螺旋槳對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力的影響。通過對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的理論推導(dǎo),得到周圍流體速度U與螺旋槳轉(zhuǎn)速n的關(guān)系,然后利用水動(dòng)力仿真分析獲得小型AUV

4、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止兩種狀態(tài)下所受阻力以及它們的關(guān)系曲線,為進(jìn)一步簡(jiǎn)化優(yōu)化模型的科學(xué)性以及對(duì)AUV推進(jìn)器優(yōu)化布置研究具有重要意義。
　　應(yīng)用勢(shì)流-邊界層理論,通過編程計(jì)算,快速準(zhǔn)確的得出水下機(jī)器人水動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。并進(jìn)一步得到小型AUV所受阻力與其殼體形狀參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系,對(duì)其外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用水動(dòng)力仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證擬合關(guān)系曲線的實(shí)用性,為水下機(jī)器人型線優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。