【摘要】：自治水下航行器(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)是一種在復(fù)雜海洋環(huán)境下執(zhí)行勘探、探測、反魚雷等任務(wù)的智能化平臺,可較好的滿足科研、軍事、商業(yè)等需求。海洋環(huán)境瞬息萬變,存在洋流、密度(溫度、鹽度)躍層、波浪等現(xiàn)象,對水下航行器的運動性能會產(chǎn)生重要影響,而AUV執(zhí)行工作任務(wù)時多處于直航狀態(tài),因此分析AUV在受到各種側(cè)向流干擾下的運動性能有重要意義和價值,并在此基礎(chǔ)上計算AUV不同結(jié)構(gòu)特征在側(cè)向流干擾下的運動性能。最終結(jié)果可為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。本文利用計算流體力學(xué)的動網(wǎng)格技術(shù)提出了六自由度(6-DOF)仿真計算方法。具體研究成果如下:研究了AUV在無洋流干擾下的直航性能。建立其幾何模型,在ICEM中劃分四面體網(wǎng)格,導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行有限元計算。基于6-DOF方法,通過加載UDF(User Defined Function)函數(shù)來賦予AUV的質(zhì)量屬性,通過設(shè)置合適的重浮心距離,成功實現(xiàn)了AUV的穩(wěn)定直航運動。研究了AUV在側(cè)向流干擾下的運動性能和粘性流場特性。結(jié)合采用RANS方程和標(biāo)準(zhǔn)k-?湍流模型,求解了AUV在側(cè)向流干擾下的非定常粘性流場和位姿變化狀況。仿真AUV在不同側(cè)向流大小、不同側(cè)向流方向的運動性能,通過分析AUV重心軌跡、姿態(tài)角、流體力、流體力矩以及壓力云圖、速度云圖等,探討了不同側(cè)向流對AUV運動性能的影響。研究了具有不同結(jié)構(gòu)特征的AUV在側(cè)向流作用下的運動性能和位姿變化狀況。當(dāng)主體外形確定后,AUV的結(jié)構(gòu)特征主要包括尾翼布局方式、尾翼安裝位置、尾翼大小、不同重浮心距離分布。結(jié)果表明,X 45?-型尾翼分布方式在受到側(cè)向流干擾時,可保持較好的運動性能;尾翼安裝位置為L/L?=0.0736(L?為尾翼根部到AUV殼體末端的距離,L為AUV全長)時,AUV有相對良好的運動性能;尾翼過小時,會引起AUV的橫滾、俯仰運動劇烈;不同重浮心距離的分布對AUV運動性能影響很大,是設(shè)計初期重要的考察因素。計算結(jié)果可為AUV結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制器設(shè)計等提供理論參考和依據(jù)。
[Abstract]:Autonomous underwater vehicle (AUV:Autonomous Underwater Vehicle) is an intelligent platform to carry out exploration, detection, anti-torpedo and other tasks in complex marine environment. It can meet the needs of scientific research, military, commercial and so on. The rapid change of marine environment, the existence of ocean currents, density (temperature, salinity) leaps, waves and other phenomena, will have an important impact on the performance of underwater vehicles, and AUV work in the direct state of most of the tasks. Therefore, it is of great significance and value to analyze the motion performance of AUV under the interference of various lateral flows. On this basis, the motion performance of different structural characteristics of AUV under the interference of lateral flow is calculated. The final results can provide the basis for its structural design. In this paper, a six-degree-of-freedom (6-DOF) simulation method is proposed by using the dynamic grid technique of computational fluid dynamics (CFD). The specific results are as follows: the direct navigation performance of AUV without ocean current interference is studied. Its geometric model is established, tetrahedral mesh is created in ICEM, and finite element calculation is carried out in FLUENT. Based on the 6-DOF method, by loading the UDF (User Defined Function) function to give the quality property of the AUV, the stable direct motion of the AUV is successfully realized by setting the proper distance of the center of gravity. The motion performance and viscous flow characteristics of AUV under lateral flow interference are studied. Combined with RANS equation and standard? The turbulent model is used to solve the unsteady viscous flow field and posture variation of AUV under lateral flow disturbance. The motion performance of AUV in different lateral flow size and direction is simulated. The center of gravity trajectory, attitude angle, fluid moment, pressure cloud and velocity cloud of AUV are analyzed. The influence of different lateral flow on the motion performance of AUV is discussed. The motion performance and posture changes of AUV with different structural characteristics under lateral flow are studied in this paper. When the shape of the main body is determined, the structural characteristics of the AUV mainly include the configuration of the tail, the installation position of the tail, the size of the tail, and the distance distribution of different gravity buoyancy centers. The results show that the X 45-type tail can maintain good motion performance when it is disturbed by lateral flow, and the position of tail installation is L/L?=0.0736 (L? For the distance from the root of the tail wing to the end of the AUV shell (L is the full length of AUV), the AUV has relatively good motion performance, and when the tail wing is too small, it will cause the roll of AUV and the pitch motion is intense. The distribution of different gravity center distance has a great influence on the motion performance of AUV, which is an important factor in the initial design. The calculation results can provide theoretical reference and basis for AUV structure design and controller design.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U674.941

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本文編號：2460940