小型AUV殼體流線型優(yōu)化設(shè)計方法研究.pdf

1、隨著海洋戰(zhàn)略資源地位的不斷增強,小型自治水下機器人((Autonomous underwater vehicle, AUV)作為研究開發(fā)海洋的主要裝備之一,其各項研究水平直接決定各國的海底戰(zhàn)略地位。為實現(xiàn)無限制、遠程、靈活、隱蔽性好及低成本等戰(zhàn)略目的,通過優(yōu)化設(shè)計載體線型以減小水下機器人振動噪聲以及減小阻力成為各國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)計理論及主要幾何參數(shù),提出了殼體設(shè)計的指標(biāo)要求及主要設(shè)計原

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

3、二維水下機器人真實運動環(huán)境,對比分析三種不同線型載體模型的水動力特性,驗證“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現(xiàn)簡化的方法的科學(xué)性及缺陷,為探討仿生優(yōu)化機理以及水下機器人非定常操縱的精細研究提供了前期準(zhǔn)備。
　　然后采用CFX技術(shù),進一步從三維分析角度,探討了螺旋槳對水下機器人運動阻力的影響。通過對推進系統(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,然后利用水動力仿真分析獲得小型AUV

4、螺旋槳轉(zhuǎn)動和靜止兩種狀態(tài)下所受阻力以及它們的關(guān)系曲線,為進一步簡化優(yōu)化模型的科學(xué)性以及對AUV推進器優(yōu)化布置研究具有重要意義。
　　應(yīng)用勢流-邊界層理論,通過編程計算,快速準(zhǔn)確的得出水下機器人水動力特性數(shù)值計算結(jié)果,驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。并進一步得到小型AUV所受阻力與其殼體形狀參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系,對其外形進行優(yōu)化設(shè)計。采用水動力仿真分析進行驗證擬合關(guān)系曲線的實用性,為水下機器人型線優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論和應(yīng)用價值。