通過建立拖纜穩(wěn)態(tài)運動的數學模型,給出運動控制方程,確定拖纜狀態(tài)的6個參數,采用試驗設計的方法在參數取值范圍內選取樣本點,對尾端拖曳深度和首端張力進行計算,建立尾端拖曳深度和首端張力的二階多項式響應面模型。優(yōu)化目標設定為尾端拖曳深度最大化和首端張力最小化,采用多目標遺傳算法,給出Pareto最優(yōu)解集。結果表明,參數在一定范圍內,采用近似模型對拖纜優(yōu)化,可以提高效率,能較為精確分析各參數對拖纜狀態(tài)的影響。 

【文章來源】：兵器裝備工程學報. 2020,41(04)北大核心

【文章頁數】：5 頁

【部分圖文】：

參數對首端張力影響

為簡化討論過程，本文僅討論穩(wěn)定海流下自由端拖纜的運動模型，其拖曳系統(tǒng)如圖1。其他的拖曳形式，例如尾端加載拖船、尾繩、水下拖體及其他的纜載設備，相比自由端僅在邊界條件上存在區(qū)別，此處不詳細討論。將拖纜視為理想的柔性圓形纜繩，由水下航行器(AUV)搭載，建立空間固定的慣性坐標系O-XYZ，單位矢量定義為(i,j,k)，附著在拖纜上的局部坐標系btn，單位矢量定義為(b,t,n)。軸t表示拖纜切向，方向為纜長s的增長方向;軸n表示拖纜的法向，處在軸t和軸t在OXY平面內的投影所組成的平面內，并垂直于軸t;軸b與軸n和軸t共同組成右手笛卡爾坐標系。定義歐拉角θ，?為拖纜微元相對慣性坐標系的姿態(tài)角，θ為Otn平面偏離OX軸的角度，?為軸t偏離OXY平面的角度，θ∈(-180°，180°]，?∈(-90°，90°]，兩個歐拉角均以逆時針方向為正方向。慣性坐標系和局部坐標系通過姿態(tài)角相關聯，轉換關系如下:

本優(yōu)化過程的種群規(guī)模為24，遺傳代數為50，交叉概率為0.9，所得深度和張力的Pareto前沿散點分布如圖2，選取3個優(yōu)化方案，方案1中Z最大，方案2中F最小，方案3位于中間，所得優(yōu)化結果如表2所示。Pareto前沿為非支配解集，最終方案的選擇依賴于實際情況和選擇者偏好[11]。本文同時在ISIGHT平臺上通過數據處理給出各參數對尾端拖曳深度和首端張力影響的Pareto柱狀圖，如圖3和圖4所示。圖3的第一條、第三條和第六條以及圖4的第四條和第六條表示該參數與響應呈負相關關系，其余表示該參數與響應呈正相關關系。可以看出，拖曳速度vy對尾端拖曳深度和張力的貢獻程度百分比最大，分別達到了-52.53%和62.56%;其余各參數中，拖纜密度u和法向阻力系數Cn對尾端拖曳深度貢獻程度百分比較大，分別為32.47%和-12.24%，切向阻力系數Ct和拖纜密度u對張力貢獻程度百分比較大，分別為22.18%和12.12%，而楊氏模量E和流體密度ρ對兩者的貢獻程度均可忽略不計。以上分析結果基本和文獻[5]所得結論一致。

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]拖曳系統(tǒng)運動仿真計算[D]. 張攀.武漢理工大學 2005



本文編號：3130378