【摘 要】
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水下滑翔机是一种新兴的先进海洋观测平台,可以显著提高对海洋的立体观测能力,目前已成为国际海洋观测领域的研究热点。本文在深入分析传统混合驱动水下滑翔机设计原理的基础上,以模块法与一体法为指导,借助Soildworks、ANSYS与Python等计算机软件,首先对混合驱动水下滑翔机进行了主体设计、校核、分析与装配,并开发了一套用于混合驱动水下滑翔机壳体校核的计算机程序,提高了校核准确性与效率。然后,根
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水下滑翔机是一种新兴的先进海洋观测平台,可以显著提高对海洋的立体观测能力,目前已成为国际海洋观测领域的研究热点。本文在深入分析传统混合驱动水下滑翔机设计原理的基础上,以模块法与一体法为指导,借助Soildworks、ANSYS与Python等计算机软件,首先对混合驱动水下滑翔机进行了主体设计、校核、分析与装配,并开发了一套用于混合驱动水下滑翔机壳体校核的计算机程序,提高了校核准确性与效率。然后,根据混合驱动水下滑翔机的性能要求,对系统舱室进行了模块化划分,进行了浮力调节系统、姿态调节系统、螺旋桨推进系统的设计及其在机体中的规划设计。重点针对混合驱动水下滑翔机仅在浮力驱动时,螺旋桨会产生一定阻力的问题,提出一种新型可折叠螺旋桨,以降低在螺旋桨推进模块不工作时因为螺旋桨产生的阻力,使混合驱动水下滑翔机整体具有较好的低阻性。研究了本混合驱动水下滑翔机与新型螺旋桨的动力学模型建模的问题。本文通过借鉴Larsson和Eliasson提出的帆船用螺旋桨模型,基于建立的惯性坐标系,载体坐标系与速度坐标系,推导建立了新型可折叠螺旋桨在不同状态下的阻力模型与推力模型。同时建立了混合驱动水下滑翔机六自由度的动力学模型,并结合航行过程中电池模块的运动特点,忽略电池模块对机体的影响,简化了水动力模型。与传统模型相比,差异在于不同作业模式下,螺旋桨模型不同。对设计的混合驱动水下滑翔机及新型螺旋桨的性能进行了计算机仿真分析。新型可折叠螺旋桨的敞水性能和水动力阻力矩的仿真分析结果表明:相较于传统螺旋桨,新型螺旋桨在螺旋桨不工作时,可以大大减小所受阻力,且进速系数越大,效果越明显。同时对安装有新型可折叠螺旋桨的混合驱动水下滑翔机航行时的整体低阻性能进行了模拟分析,结果表明:在仅滑翔模式下航行时,装有新型螺旋桨的水下滑翔机整体阻力变小,大约减小了45%,尤其是低速时可减小60%,低阻性能优势明显。本文还仿真分析了稳态与非稳态下的航行性能,重点分析了不同运动模式下航行过程中增速效果与转弯半径的大小,结果表明混合驱动模式下,本水下滑翔机增速效果较好,垂向上升速度较快,航行性能较好,并且有较小的转弯半径,具有一定的研究应用价值。
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