隨著人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步和陸地資源的逐漸枯竭,充分利用海洋資源成為人類(lèi)維持自身生存和發(fā)展的關(guān)鍵。由于海洋環(huán)境復(fù)雜且相當(dāng)惡劣,不適合人類(lèi)直接進(jìn)入進(jìn)行探索,因此自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicles,簡(jiǎn)稱(chēng)AUV)作為一種十分有效的海洋探索與開(kāi)發(fā)手段已經(jīng)在科研和軍事領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但復(fù)雜的海洋環(huán)境對(duì)AUV的安全性和靈活性提出了巨大的考驗(yàn),因此開(kāi)發(fā)一種具有較好穩(wěn)定性和操縱性的新型AUV具有十分重要的意義。本文以新型圓碟形自主式水下機(jī)器人——水下直升機(jī)為研究對(duì)象,其特點(diǎn)是具備全周轉(zhuǎn)向、定點(diǎn)懸停、精確著陸和自由起降四個(gè)功能。為保障水下直升機(jī)在海洋中工作的安全性和靈活性,準(zhǔn)確且快速地預(yù)報(bào)其水動(dòng)力性能和運(yùn)動(dòng)情況具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。首先,在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)方法數(shù)值計(jì)算了不同航速下水下直升機(jī)水平面直航的摩擦阻力系數(shù),并與國(guó)內(nèi)外主流計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算水下直升機(jī)定常水動(dòng)力性能,得到其水平面和垂直面直航阻力系數(shù)并與拖曳水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性。在此基礎(chǔ)上，提出了不同長(zhǎng)高比的新型水下直升機(jī)模型,數(shù)值計(jì)算其斜航水動(dòng)力性能,為新一代大型水下直升機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。然后,基于STAR-CCM+重疊網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬水下直升機(jī)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Plane Motion Mechanism,簡(jiǎn)稱(chēng)PMM)試驗(yàn),計(jì)算得到水下直升機(jī)做純升沉運(yùn)動(dòng)、純橫蕩運(yùn)動(dòng)、純俯仰運(yùn)動(dòng)、純艏搖運(yùn)動(dòng)和純橫搖運(yùn)動(dòng)的慣性類(lèi)水動(dòng)力系數(shù)、粘性類(lèi)水動(dòng)力系數(shù)和二階水動(dòng)力系數(shù),與國(guó)內(nèi)外高校研發(fā)的圓碟形潛水器進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了本文PMM試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算方法的合理性。并分析水下直升機(jī)在非均勻流場(chǎng)中做純升沉運(yùn)動(dòng)和純俯仰運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力性能。最后,由本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果判斷水下直升機(jī)具有水平面和垂直面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,與水池試驗(yàn)結(jié)果相吻合。數(shù)值計(jì)算得到水下直升機(jī)螺旋槳的性能,結(jié)合本文數(shù)值計(jì)算得到的水動(dòng)力系數(shù),建立六自由度運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)。對(duì)水下直升機(jī)直航運(yùn)動(dòng)、螺旋式下潛運(yùn)動(dòng)和海流干擾下的空間回字型下潛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真并分析其操縱性能,為后續(xù)的研發(fā)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：U674.941
【部分圖文】：

１．２．１潛水器發(fā)展現(xiàn)狀??潛水器主要可以分為以下三類(lèi)：載人潛水器（ＨＯＶ）、有纜遙控水下機(jī)器人??（ＲＯＶ）和無(wú)纜水下機(jī)器人（ＡＵＶ）＇幾類(lèi)典型潛水器如圖１．３（ａ）－（ｄ）所示。??Ｔ?＿＿＿＿＿Ｊｌｇｉｓ．??（ａ）?ＲＯＶ?：?“ＢＡＲＲＡＣＵＤＡ”?號(hào)?（ｂ）?ＲＯＶ：?“Ｓｅａ－Ｗｏｌｆ?５”?號(hào)??（ｃ）ＡＵＶ?：?“Ａｌｉｓｔｅｒ”?號(hào)?（ｄ）?ＨＯＶ?：?“ＳＵＲＶＥＹ”?號(hào)??圖丨．３三類(lèi)主要潛水器［８］??ＨＯＶ作為早期出現(xiàn)的潛水器是人類(lèi)在潛艇微型化的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的，主??要目的是替代潛水員在深海中進(jìn)行潛水作業(yè)，可完成深�？碧�、打撈和救生等水??下作業(yè)任務(wù)［９］。ＨＯＶ的排水量從幾噸到幾十噸，航速為一節(jié)至五節(jié)，下潛深度??淺的幾百米深的可到達(dá)萬(wàn)米。ＨＯＶ具備搭載潛水員的耐壓艙室和生命保障系統(tǒng)，??２??

州大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所研發(fā)出兩種碟型自主水下機(jī)器人并取名為“ＬＵＮＡ”號(hào)和??“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”號(hào)［１８＿１９１，如圖１．４和圖１．５所示�！埃拢铮铮恚澹颍幔睿纭碧�(hào)水下機(jī)器人的??直徑為１．９ｍ，重心位置可以向四個(gè)方向移動(dòng)，并通過(guò)重心和浮力調(diào)節(jié)裝置來(lái)控??制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，在３分鐘內(nèi)可下潛８０ｍ。??■?ｍ?％??圖１．４?“ＬＵＮＡ”號(hào)水下機(jī)器人丨１８】?圖１．５?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”號(hào)水下機(jī)器人ｌｌ９］??３??

?哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計(jì)并研制了一種具有圓碟形狀的新型水下機(jī)器人［２（）］，如??圖１．６所示，由電源系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)五??大部分組成。其推進(jìn)系統(tǒng)由４個(gè)布置在內(nèi)部的噴水泵組成，噴水泵間的功率配合??可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的任意平面運(yùn)行，質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)可控制水下機(jī)器人的姿態(tài)變化。??大連海事大學(xué)提出了?一種圓碟形水下滑翔機(jī)［２１］，如圖１．７所示。該滑翔機(jī)可通過(guò)??其自身凈浮力大小的改變實(shí)現(xiàn)上升和下潛運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)控制自身的重心位置來(lái)??實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。??圖１．６哈工大圓碟形新型水下機(jī)器人ｐｇ］?圖Ｌ７大連海事大學(xué)碟形水下滑翔機(jī)［２｜１??１．２．２潛水器水動(dòng)力系數(shù)獲取方法??潛水器水動(dòng)力系數(shù)極大地影響著其操縱性能。因此準(zhǔn)確地計(jì)算潛水器的水動(dòng)??力性能，得到具有真實(shí)意義的水動(dòng)力系數(shù)顯得格外重要。獲取潛水器操縱性運(yùn)動(dòng)??水動(dòng)力系數(shù)的方法主要有以下幾種：近似計(jì)算、理論計(jì)算、模型試驗(yàn)和計(jì)算流體??力學(xué)（ＣＦＤ）數(shù)值模擬［２２］。??（１）
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2855335