小型自治水下机器人外形优化设计及水动力特性数值模拟
小型自治水下机器人(小型AUV),因其具有造价低,航速块,隐蔽性好等特点,逐渐引起人们的重视,在民用和军用方面都发挥着重要的作用。由于AUV自身携带的能源有限,所以为了提高能源利用率,AUV在水中航行时,怎样能够减小其在水中运动的阻力是一个十分重要的课题。开展AUV外形优化,降低其在水中运行时的阻力等方面的研究,对提高能源利用率十分重要,是AUV研究的一个重要方向。为此,本文以小型水下机器人形状优化为研究目标,探索减少AUV水阻力的有效方法。围绕该目标,本文开展了以下几方面的研究。 首先,本文先根据设计任务书的技术指标,确定AUV主要设计参数,基于模块化设计思路,AUV由推进模块(动力舱)、控制模块(控制舱)、能源模块(电池舱)和用户自定义模块(自定义舱、搭载舱)几部分组成,并建立其运动学和动力学方程。 其次,在建立AUV数学模型的基础上,对AUV的外形进行参数建模,确定需要优化的外形参数,然后在VC语言环境中执行对AUV外形优化的整个过程,优化以AUV水中航行时的水阻力最小为目标。本文计算水阻力是采用计算流体力学(CFD)的方法,利用商业软件ANSYS中的CFX模块计算水阻力,采用遗传算法选取最优的一组参数,即满足装配体积下的AUV水阻力最小的参数。然后通过模拟仿真对优化后的AUV和优化之前的AUV的水动力特性进行仿真模拟,以对比分析优化前后AUV外形的水阻力特性。 最后,为了更好的研究AUV运行中阻力及流动情况,本文继续对AUV的整体造型在湍流模型下进行数值仿真模拟,进行了一系列的水动力分析等工作。对设计完成的AUV进行三维水动力仿真,模拟AUV周围粘性流场的情况。得出了AUV运行的粘性阻力、压差阻力和总阻力以及各项阻力系数,AUV表面各种压强分布情况以及流场内压强及速度分布情况等多项水动力特性,结果证明计算机仿真模拟在AUV水动力特性研究方面具有一定的应用价值,这些研究数据均可为AUV的进一步研究以及实验分析提供参考依据。
水下机器人;遗传算法;水动力特性;数值模拟;外形优化设计
中国海洋大学
硕士
机械电子工程
刘贵杰
2012
中文
TP242
61
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）