水下纜索動力學分析及其在水下機器人系統(tǒng)中的應用研究.pdf

1、水下纜索廣泛地應用于海洋工程領域，對其研究有著十分重要的理論意義和工程價值。本文對其時域動力學及其在水下機器人系統(tǒng)中的應用做了分析研究。
　　在本文中，首先基于歐拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beam)理論推導出了纜索的二維動力學方程，將彎曲剛度考慮在內從而使其不但能夠分析傳統(tǒng)意義上的大張力纜索動力學問題，也能分析低張力情況下纜索動力學問題。考慮到纜索在水下運動的復雜受力形態(tài)，這樣的處理使其更接近于實際從而可以提高

2、計算的準確性。對所建立的強耦合的、非線性的纜索運動方程，求其精確解析解已不可能，因此本文采用具有二階精度的、無條件穩(wěn)定的隱式中心差分法對其進行數(shù)值離散，對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迭代法進行求解。
　　基于上述纜索動力學模型及數(shù)值方法，本文研究了拖曳陣列聲納系統(tǒng)（TASS）的響應問題。從本文計算結果與前人試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值結果的對比可以驗證本文程序的正確性。之后，研究了更為一般的自由拖

3、纜的動力學問題，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、攜帶不同拖重以及不同纜長等系統(tǒng)要素下的動力學響應，總結了纜索張力及形態(tài)的變化規(guī)律，從而更加清晰地認識了水下纜索的暫態(tài)動力學行為特性。
　　最后，研究了纜索與水下機器人系統(tǒng)的耦合動力學問題。對于水下機器人，依據(jù)剛體動力學，忽略各自由度之間的耦合、僅考慮線性項與非線性的水動力項的作用，建立了其在垂直面的運動方程。通過將纜索動力學方程與水下機器人動力學方程的耦合，分

4、析了纜索張力、形態(tài)以及水下機器人的運動速度、軌跡等各量隨時間的變化規(guī)律。分析結果表明，纜索的使用，使水下機器人在水中各方向的運動出現(xiàn)了明顯的耦合現(xiàn)象。要想獲得理想的運動規(guī)律，必須對各向推進器推力給予控制。另外，對于近來水下機器人的實際工程應用中不再廣泛使用中繼器，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算分析。分析結果表明，在有、無系縛浮力球時，纜索上的張力變化不大，這是因為浮力球的正浮力只能抵消很小

5、一部分纜索的水中自重造成的。然而，在浮力球的作用下，從水下機器人運動軌跡的上下波動及轉角的波動來看，運動顯得更加平穩(wěn)。更重要的是，此時水下機器人在相同的時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動的半徑都會增大，且水平方向運動半徑增大很多。換句話說，要使水下機器人達到某一高（深）度或達到某一指定的運動目的地，此時只需要較短的時間。再考慮到系縛浮力球時，水下機器人僅在水平方向推進器推力的作用下就能獲得較平穩(wěn)的水平運動軌