6 km自容式湍流观测剖面仪设计与试验研究

目前大部分湍流观测剖面仪的观测范围在1 km以浅。为获取深海湍流数据,探究深海动力过程演变机制与能量耗散过程,研制6 km自容式湍流观测剖面仪。从湍流观测应用的翼型剪切流传感器测量原理出发,分析约束深海剖面仪设计的关键技术,开展了深海剖面仪稳定水动力布局设计、耐压6 km的轻量化结构设计、下潜速度分析与控制设计。观测传感器集成微结构的双PNS系列翼型剪切流传感器与FP07快速温度传感器,实现了深海湍流两个维度下湍动能耗散与热耗散的同步、高速观测,采用模块化的设计思想完成自容式湍流观测硬件系统的设计。通过性能检测试验,剖面仪可满足6 km应用,下潜速度线性可调范围0.4~0.9 m/s,验证了剖面仪结构设计的可行性;海上试验,并与MSS90进行比测,剖面仪测量湍流脉动剪切变化趋势与MSS90相同,计算的湍流剪切波数谱与Nasmyth理论谱在截止波数前非常吻合,相同深度的湍动能耗散率与MSS90为同一数量级,验证了深海6 km自容式湍流观测剖面仪湍流测量的准确性。     

翼型对水下滑翔机滑翔性能影响分析

选用NACA 4位数翼型,采用计算流体力学方法分析了翼型对水下滑翔机滑翔经济性和稳定性的影响。研究结果表明,合适的翼型可以极大地提高滑翔经济性,但对滑翔机静稳定性的提高并不明显;对于非对称翼型,翼型的弯曲程度和弯曲方向对滑翔经济性和静稳定性的影响均很大。在此基础上,并结合工程实际,提出了变后缘柔性机翼方案,通过数值模拟试验验证了所提出方案的可行性。研究成果为水下滑翔机柔性机翼的设计提供了理论参考。     

水下滑翔机低功耗控制系统实现

水下滑翔机是一种低噪声、长续航力的新型水下机器人,是一种有效的海洋环境测量平台。以水下滑翔机为研究对象,分析了水下滑翔机作业过程中的能耗组成,重点研究了水下滑翔机嵌入式控制系统。详细介绍了适用于水下滑翔机的低功耗控制系统的软硬件设计与实现。通过实验对水下滑翔机低功耗控制系统的有效性和稳定性进行了测试。     

海洋微结构湍流垂直剖面仪模态分析方法

给出了一种用于分析海洋微结构湍流垂直剖面仪流固耦合l阶湿模态的、简便的等效数值计算方法,提高了剖面仪的设计效率.在中国南海海域进行的海试实验表明,剖面仪样机能够实现海洋微结构湍流测量,获得正确的海域微结构湍流动能耗散率资料,证明了该等效数值计算方法用于指导剖面仪设计是可行的.     

蹼翼型波浪滑翔机结构设计和运动原理分析

在传统波浪滑翔机研究的基础上,通过柔性蹼翼的引入和结构设计,对蹼翼型波浪滑翔机的运动原理进行了深入研究,建立了柔性蹼翼驱动力计算模型,搭建了原理样机并初步通过了造波水槽实验,实现了蹼翼型波浪滑翔机的滑翔功能。蹼翼型波浪滑翔机克服了传统波浪滑翔机的结构复杂易缠绕、机动性差和波浪能转化效率低等不足,能更好地应用于大尺度、长期的海洋环境观测应用研究。     

混合驱动水下滑翔机动力学特性与效率分析

混合驱动水下滑翔机是兼有浮力驱动和螺旋桨驱动两种驱动模式的新型水下自航潜器。通过建立混合驱动水下滑翔机在3种驱动模式下纵垂面内定常运动的动力学模型,研究了不同驱动模式下攻角、速度、滑翔角之间的关系,对不同驱动模式下驱动系统的能耗进行分析比较。结果表明,在相同净排量和相同滑翔落差条件下,混合驱动模式单位航程能耗值大于纯滑翔模式,而净浮力为零时的水平直航模式下能耗最少,并通过水域试验进行了验证。根据所得结论,面向不同的任务、海况等可选择不同的驱动方式来节约电量,对混合驱动水下滑翔机的设计与应用有一定的指导意义。     

水下滑翔机多点探测能耗最低路径的规划方法

作为一种有前途的海洋现象自主观测平台,水下滑翔机通过调节自身净浮力和姿态实现空间运动。由于低能耗的驱动方式,水下滑翔机非常适合执行长期海洋探测任务。针对水下滑翔机的多点探测任务,本文提出一种能耗最低路径的规划方法。首先,建立了滑翔机整机动力学模型,推导了单剖面滑翔运动能耗模型。基于仿真结果,采用多项式拟合方法确定了滑翔机的能耗、航程、控制参数值和目标下潜深度之间的近似函数表达式。在运动路径给定条件下,研究了滑翔机能耗与剖面数之间的关系。在此基础上,将多点探测任务的路径规划抽象为旅行商问题(Traveling salesman problem, TSP),并基于遗传算法给出了该问题的求解方法。数值算例表明,该路径规划方法可有效降低滑翔机在执行多点探测任务时所需能耗。     

混合驱动水下滑翔机动力学建模与海试研究

从能量的角度出发,引入黎曼几何和仿射联络,基于微分几何理论建立混合驱动水下滑翔机动力学微分几何模型。基于上述模型,分析混合驱动水下滑翔机系统驱动方式、姿态调节方式及其航行过程中所受外部力与力矩作用,同时针对目前所研制的混合驱动水下滑翔机纵垂面"之"字形剖面滑翔运动进行数值模拟分析,得到控制输入量与混合驱动水下滑翔机运动特性之间关系,并将数值模拟结果与南海试验数据进行对比,验证了该动力学微分几何模型的有效性,为改善混合驱动水下滑翔机系统设计及其动力学行为预报提供参考依据。     

基于LQG/LTR方法的分离式艉舵水下滑翔机运动控制仿真研究

基于水下滑翔机六自由度空间运动模型,研究了应用LQG/LTR方法的自动操纵控制方案,对分离式艉舵水下滑翔机在艏舵收回状态下的操纵控制算法进行仿真试验,通过数值仿真分析验证了所提出算法的有效性。     

垂直微结构剖面仪主体结构优化

垂直微结构剖面仪是获取海洋微结构湍流数据最有效的测量平台,其下降过程中产生的流致振动是影响剖面仪测量精度的主要因素。分析了影响剖面仪流致振动的因素,基于ANSYS-Workbench数值仿真平台,采用双向流固耦合算法,得到了剖面仪流致振动与其结构外形及参数之间的关系。在此基础上,以减小流致振动为目标,采用单目标优化方法分别对剖面仪主体结构外形及结构参数进行了优化,优化后的剖面仪测量精度提高了57%。研究成果为垂直微结构剖面仪及类似结构的合理设计提供了理论指导。     

水下滑翔机浮力驱动系统生存分析与试验

水下滑翔机的可靠性直接影响了其生存能力和完成任务的能力,浮力驱动系统作为它的核心模块,其可靠性研究显得尤为重要。针对水下滑翔机浮力驱动系统故障试验数据存在缺失性的情况,采用生存分析方法对水下滑翔机PETREL-II进行了可靠性分析和评估。首先依据水下滑翔机浮力驱动系统生存删失数据,由生存分析理论的Kaplan-Meier估计方法获得了浮力驱动系统的生存曲线,然后根据原始故障数据,应用常规可靠性理论计算浮力驱动系统的故障率与可靠度,将传统可靠性理论估计结果与生存分析结果进行对比。结果表明,生存分析方法可更好地评价水下滑翔机浮力驱动系统的可靠性,对水下滑翔机整体可靠性分析提供有力支持。     

Unity3D无人航行器水下自主航行三维仿真

介绍了一种用于水下无人航行器研制和试验阶段内部软件系统联合调试的手段,通过Unity3D构建水下三维仿真海洋环境,建立无人航行器水下运动和动力学模型,并对航行器搭载的传感器和执行器进行数学建模,组建水下三维仿真系统。它与实际航行器软件系统通过与实物一致的接口相连,组成了一个数据传输环流系统,可进行航行器自主航行仿真测试。     

混合驱动水下滑翔机变翼系统研究

基于混合驱动水下滑翔机对变翼功能的实际需求,设计了平面2自由度连杆机构,以实现机翼展弦比和后掠角的变化。通过运动学正解分析,验证了变翼系统的变体功能。通过运动学位置逆解分析,求解了输出电机角位移与输出杆位姿的关系,并进一步获得了变翼系统工作空间。通过基于原型样机的试验研究与性能测试,验证了变翼方案的可行性。最后,基于计算流体力学方法,对混合驱动水下滑翔机变翼策略进行研究,分析了机翼展弦比和后掠角对水下滑翔机不同工作模式下航行性能的影响,并确定了最佳变翼方案。     

矢量磁力仪本体磁性现场校正算法研究

海洋磁力仪的本体磁性校正是磁力仪应用系统的核心技术,尤其当载体磁性发生改变后,其现场的校正算法是影响其应用有效性的关键。先分析了搭载有三轴磁通门磁力仪的水下勘探系统的主要磁干扰源,描述了相应的磁校正模型,简明扼要地介绍了椭球拟合、粒子群、遗传及粒子群遗传混合等算法,并逐一通过MATLAB予以实现。最后使用水下载体在西南印度洋的作业数据对上述算法进行功能性验证。由校正前后的数据波动情况、均方根误差值和相对误差值可知,磁校正领域混合算法校正效果相对较佳,能提高磁力仪传感器的测量有效性。     

波浪滑翔机的水动力性能分析

波浪滑翔机是一种新型的无人观测平台,能在不同海况下对海洋环境进行持续观测。介绍了其总体结构和运动机理,它是通过单纯的机械结构将波浪能转化为波浪滑翔机的前进动力,从而解决了常规滑翔机需要自带能源的弊端。基于三维势流理论和波浪的绕射辐射理论,再结合水动力分析软件AQWA,在频域内的规则波作用下,分析在不同方向下的水面浮体的动力响应,得到运动响应幅值算子(RAOs)。还分析规则波波幅对水下滑翔体推力以及整体航速的影响,得到推力与航速的关系。实验结果为以后的研究提供了理论数据参照。     

水下滑翔机纵垂面变浮力过程建模与控制优化

基于国产水下滑翔机"海燕-Ⅱ"的结构特点和控制特征,考虑不同深度下的海水密度和压强对水下滑翔机运动的影响,建立了一种精确的水下滑翔机动力学模型.该模型将水下滑翔机的前后导流罩和其他可浸水部分的海水质量作为水下滑翔机本身质量的一部分,并将水下滑翔机的回排油过程作为变质量过程,将海水的深度变化对其浮力的影响过程作为变浮力过...     

水下滑翔机深度模拟装置仿真及实验研究

深度模拟装置是水下滑翔机半实物仿真的重要组成部分。针对水下滑翔机深度模拟的需求,设计了一种采用电液压力伺服控制系统的深度模拟装置,以此为研究对象,建立数学模型并基于PID控制策略完成仿真分析,仿真结果表明,设计的系统在理论上能够满足模拟装置的要求。以此为基础搭建试验平台,并进行实验研究,实验结果表明,深度模拟装置可以实现准确的压力控制,从而在实验室条件下为水下滑翔机提供精确的深度变化环境,同时也验证了所构建数学模型及控制器设计的正确性。     

水下滑翔机深度模拟装置仿真及实验研究#br#

深度模拟装置是水下滑翔机半实物仿真的重要组成部分。针对水下滑翔机深度模拟的需求,设计了一种采用电液压力伺服控制系统的深度模拟装置,以此为研究对象,建立数学模型并基于PID控制策略完成仿真分析,仿真结果表明,设计的系统在理论上能够满足模拟装置的要求。以此为基础搭建试验平台,并进行实验研究,实验结果表明,深度模拟装置可以实现准确的压力控制,从而在实验室条件下为水下滑翔机提供精确的深度变化环境,同时也验证了所构建数学模型及控制器设计的正确性。     

基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平 面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.276 0 N•m降低为0.001 5 N•m,提高水下滑翔机的运动性能。     

基于参数化方法的圆碟形水下滑翔机结构轻量化设计

圆碟形水下滑翔机结构质量大小对其性能影响较大。为提高圆碟形水下滑翔机结构分析效率,在圆碟形水下滑翔机耐压壳结构分析的基础上,对圆碟形耐压壳结构进行参数化设计及优化研究。运用ANSYS参数化设计语言APDL对圆碟形耐压壳进行参数化建模与分析,采用零阶与一阶相结合的优化方法,对圆碟形水下滑翔机耐压壳结构进行轻量化设计。结果表明,参数化分析方法有效地提高了分析效率,优化后所得最优解与初始值相比,质量减轻了29.4%,圆碟形水下耐压壳轻量化效果明显。