水下纜索動(dòng)力學(xué)分析及其在水下機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、水下纜索廣泛地應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域，對(duì)其研究有著十分重要的理論意義和工程價(jià)值。本文對(duì)其時(shí)域動(dòng)力學(xué)及其在水下機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用做了分析研究。
　　在本文中，首先基于歐拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beam)理論推導(dǎo)出了纜索的二維動(dòng)力學(xué)方程，將彎曲剛度考慮在內(nèi)從而使其不但能夠分析傳統(tǒng)意義上的大張力纜索動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，也能分析低張力情況下纜索動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?？紤]到纜索在水下運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜受力形態(tài)，這樣的處理使其更接近于實(shí)際從而可以提高

2、計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)所建立的強(qiáng)耦合的、非線性的纜索運(yùn)動(dòng)方程，求其精確解析解已不可能，因此本文采用具有二階精度的、無(wú)條件穩(wěn)定的隱式中心差分法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值離散，對(duì)離散后的非線性的代數(shù)方程組利用具有二次收斂速度的Newton-Raphson迭代法進(jìn)行求解。
　　基于上述纜索動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值方法，本文研究了拖曳陣列聲納系統(tǒng)（TASS）的響應(yīng)問(wèn)題。從本文計(jì)算結(jié)果與前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值結(jié)果的對(duì)比可以驗(yàn)證本文程序的正確性。之后，研究了更為一般的自由拖

3、纜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，分析了其在不同母船拖速、不同水流速度、不同波浪幅頻激勵(lì)、攜帶不同拖重以及不同纜長(zhǎng)等系統(tǒng)要素下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，總結(jié)了纜索張力及形態(tài)的變化規(guī)律，從而更加清晰地認(rèn)識(shí)了水下纜索的暫態(tài)動(dòng)力學(xué)行為特性。
　　最后，研究了纜索與水下機(jī)器人系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。對(duì)于水下機(jī)器人，依據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)，忽略各自由度之間的耦合、僅考慮線性項(xiàng)與非線性的水動(dòng)力項(xiàng)的作用，建立了其在垂直面的運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)將纜索動(dòng)力學(xué)方程與水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的耦合，分

4、析了纜索張力、形態(tài)以及水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、軌跡等各量隨時(shí)間的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，纜索的使用，使水下機(jī)器人在水中各方向的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了明顯的耦合現(xiàn)象。要想獲得理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須對(duì)各向推進(jìn)器推力給予控制。另外，對(duì)于近來(lái)水下機(jī)器人的實(shí)際工程應(yīng)用中不再?gòu)V泛使用中繼器，而是代之以在纜索下端局部區(qū)域系縛正浮力的浮力球的現(xiàn)象，本文從理論上也予以了計(jì)算分析。分析結(jié)果表明，在有、無(wú)系縛浮力球時(shí)，纜索上的張力變化不大，這是因?yàn)楦×η虻恼×χ荒艿窒苄?/p>

5、一部分纜索的水中自重造成的。然而，在浮力球的作用下，從水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的上下波動(dòng)及轉(zhuǎn)角的波動(dòng)來(lái)看，運(yùn)動(dòng)顯得更加平穩(wěn)。更重要的是，此時(shí)水下機(jī)器人在相同的時(shí)間以及相同的垂直和水平螺旋槳推力的情況下，上升的高度及水平運(yùn)動(dòng)的半徑都會(huì)增大，且水平方向運(yùn)動(dòng)半徑增大很多。換句話說(shuō)，要使水下機(jī)器人達(dá)到某一高（深）度或達(dá)到某一指定的運(yùn)動(dòng)目的地，此時(shí)只需要較短的時(shí)間。再考慮到系縛浮力球時(shí)，水下機(jī)器人僅在水平方向推進(jìn)器推力的作用下就能獲得較平穩(wěn)的水平運(yùn)動(dòng)軌