負浮力大載荷水下潛器實現機理與動力學特性研究

《負浮力大載荷水下潛器實現機理與動力學特性研究》是依託天津大學，由張宏偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：負浮力大載荷水下潛器實現機理與動力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張宏偉
• 依託單位：天津大學

項目摘要

作為水下移動觀測平台，當前已有的基於中性浮力原理的水下無人潛器的載荷能力已漸漸不能滿足日益多樣化的任務需求。研製新型負浮力大載荷水下潛器，利用水動力來平衡負浮力，是解決這一問題的有效方法。為此，本課題提出自旋翼水下無人機原理，並從以下方面對其實現機理和動力學行為特性開展理論研究：旋翼流體動力特性、水動力布局及動力學行為特性研究。然後研製旋翼水下無人機原理測試平台，通過水池實驗驗證前面理論研究成果。本課題的研究成果將為未來負浮力水下無人機的開發和工程化套用作好理論準備。

結題摘要

隨著海洋開發利用的不斷深入，海洋調查和海洋工程任務日趨複雜，對水下作業工具的要求也越來越高，傳統水下航行器漸漸不能滿足多樣化的任務需求，因此必須研製適應能力強的新型水下航行器。負浮力水下航行器可以在一定的負浮力狀態下穩定航行，不需要嚴格配平，感測器可以靈活搭載，為設計、集成和使用帶來極大方便，而且體積、重量明顯減小。參照空中旋翼機的原理，我們提出了一種帶大尺度旋翼的新型負浮力水下航行器。主要工作內容包括以下幾個方面：(1)研究負浮力水下航行器國內外研究現狀、旋翼機的研究現狀及旋翼分析方法。(2)加工製造了旋翼縮比模型，旋翼運動特性試驗研究。(3)旋翼模型理論計算與CFD仿真，並對CFD方法的正確性進行了驗證。(4)負浮力自轉旋翼水下航行器動力學建模與仿真。(5)採用ANSYS-Workbench對自轉旋翼進行了流固耦合研究。(6)負浮力自轉旋翼水下航行器縱垂面操穩特性研究。我們從理論動力學模型、數值模擬和實驗三方面驗證了負浮力自轉旋翼水下航行器的可行性。(1)數值模擬和水洞實驗都表明旋翼在水流作用下可以穩定旋轉，並且可以產生足夠大的拉力平衡負浮力。(2)負浮力自轉旋翼水下航行器在縱垂面內可以實現穩定下潛、定深巡航、穩定爬升，而且整個動態過程是漸進穩定的，存在微小超調量，通過運動控制系統的校正後，能達到真正的漸進穩定。(3)典型工況下不同材料的旋翼的流固耦合仿真結果表明：隨著材料剛度的減小，旋翼的最大形變數不斷增大，最大形變發生在槳尖部位；最大等效應力發生在槳根部位，等效應力跟材料剛度沒有明顯關係。由於自轉旋翼的穩定轉速就較低，包括鋁合金在內的大多數一般金屬材料都能滿足旋翼揮舞變形要求。(4)通過小擾動理論及拉氏變換求解傳遞函式等方法證明了所設計的自轉旋翼水下航行器具有較好的縱向運動穩定性和操縱性。