深海水下航行器主動精度設計與動力學行為研究

《深海水下航行器主動精度設計與動力學行為研究》是依託天津大學，由劉玉紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深海水下航行器主動精度設計與動力學行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉玉紅
• 依託單位：天津大學

項目摘要

水下航行器作為複雜水下機電裝備，對於海洋科學研究及國防建設具有重要作用。水下航行器動力學行為精度直接影響其自航行與任務精度，合理的精度設計是決定其設計成功與否的關鍵。本項目以深海水下航行器為典型對象，在現代設計理論框架下，基於水下航行器系統探測精度模型，對水下航行器進行動力學行為精度分配與最佳化設計，構建水下航行器主動精度設計方法。在此基礎上，計及海洋環境不確定性影響，建立水下航行器多域場耦合的動力學模型及基於神經網路的動力學行為預測模型，通過系統動力學、流體力學、水聲學等相關學科的交叉與融合，發展一套適合於水下航行器的流、固、聲耦合動力學行為數值計算方案及基於神經網路的預測方法，真實地再現在不確定參數擾動下水下航行器動力學行為，闡明水下航行器周圍流場演化規律及結構－渦－聲關係，為設計具有低阻低噪、高精度、高可靠性的水下航行器提供理論依據和設計指導。研究成果可拓展套用於其它類型的海洋裝備。

結題摘要

水下航行器作為複雜水下機電裝備，是國家戰略新興產業發展的重要領域，對於海洋科學研究及國防建設具有重要作用。水下航行器動力學行為精度直接影響其自航行與任務精度，合理的精度設計是決定其設計成功與否的關鍵。本項目針對任務感測器探測精度需要，以水下航行器動力學行為精度設計核心，以深海水下航行器為典型對象，從理論方法、關鍵技術、樣機水動外形結構設計與最佳化三個層面系統開展了研究工作。取得主要研究成果如下： （1）針對典型任務感測器（多波束測深儀、剪下流感測器）的探測精度需求，搭建了任務感測器探測精度到水下航行器動力學行為精度之間的映射模型，提出了水下航行器主動精度設計方法理論框架，成功設計並最佳化了深水AUV及深海微結構剖面儀水動外形。 （2）針對深水AUV矢量推進的特點，將AUV推力視為螺旋漿轉速及矢量推進器擺角的函式，運用牛頓－歐拉法建立了深水AUV的6-DOF動力學模型，採用四階五級龍格－庫塔方法對動力學模型進行了求解，在MATLABT環境下實現了深水AUV動力學行為預測，並通過湖試驗證了所建模型的正確性。 （3）流動噪聲是水下航行器上局部結構（空腔）產生的一種動力學行為，針對該動力學行為的特點，項目提出了基於CFD仿真的水下航行器動力學行為預測方法。基於該方法，預測了深水AUV直航動力學行為及空腔流動噪聲，分析了AUV動力學行為改變的誘因。考慮海洋環境不確定參數的影響，提出並構建了空腔流動噪聲預測的人工神經網路模型。與水槽試驗結果對比表明，該模型具有較高的預測能力。 （4）針對水下航行器動力學行為精度指標之間的制約關係複雜及難於量化的特點，將模糊理論引入水下航行器動力學行為預測體系中，提出了水下航行器動力學行為模糊綜合預測方法。基於AUV的航行任務要求，構建了AUV動力學行為綜合評價的三級評價體系，該評價體系囊括了穩定性與機動性兩大方面共13項指標，為最終方案的選擇制定提供了指導。 （5）探究多域場耦合作用機制，提出並構建了基於ANSYS-FLUENT的流—固耦合數值仿真方法。利用該方法，通過UDF函式對FLUENT軟體的二次開發，實現了深海微結構剖面儀下降過程動力學行為仿真，真實再現了剖面儀的流致振動特徵，成功推導出剖面儀的流致振動預測經驗公式，並通過海試試驗驗證了公式的準確性。