基于四元法AUV操纵性能响应的涡流边界积分法的研究

Conventionally, experiment and/or computed hydrodynamic derivatives to describe autonomous underwater vehicles (AUVs) maneuverability were strong pertinence on hull form with fixed appendages. While relative position between the hull form and appendages and operating conditions were changed, to be poor estimating the AUV’s motion performance. It is important to develop an efficiency and effective method to estimate AUV maneuvering derivatives. In this study, the 3-D vortex-based boundary integral method will be adopted to solve the Laplace’s equation of the mass conservation and to be integrated with developed singularity-free 6-DOF Euler-Rodriguez Quaternion method to estimate AUV maneuverability with main flow whereas the AUV configurations and operating condition changed. The design of system dynamics includes hull form, appendages and propulsion system at preliminary design stage. Simulation results applied to an AUV prototype with System Identify (SI) will be carried out in ZJU Ocean College in Zhoushan. The AUV prototype was developed by ZJU Professor Xu et al. Further, the study will expand visualization system of an AUV simulator in the previous author research with web-based, sophisticated graphics technology by X3D and JAVA.

传统潜水器操纵性能的实验数据及计算所得的水动力导数，有很强的针对性，一旦几何变化、相对几何位置改变及工况环境变化，水动力系数则不堪构型设计上的性能评估的使用，因此有必要开发一个有效又省时的方法，应对几何设计及工况的变化需要，快速估算潜水器主要的操纵性导数的响应。本研究方法将采用三维涡流边界积分法求解满足AUV系统动力质能守恒的拉普拉斯方程，结合申请者已实践的六自由度没有奇异点的四元法(Euler-Rodriguez Quaternion) 的AUV操纵运动控制模型，探求AUV几何设计改变后的操纵性能以及具定向流的运动性能。AUV系统动力设计，包括主体、附属翼及推进系统的初步设计。研究预期能发展一有效快速的三维涡流边界积分法进行不同造型没有奇异点的AUV运动性能分析。仿真结果将在浙大舟山校区操纵水池与浙大先前所研发的AUV原型作系统验证，以求基於X3D及JAVA设计的AUV仿真系统之实效。

本研究完成发展四元法(Euler-Rodriguez Quaternion)为基础的AUV操纵性能响应的涡流边界积分法(Vortex-based Boundary Integral Method)(简称面元法)的应用，成为先进高效且能够全方位地探索AUV运动控制性能的方法。项目发展出来的水动力分析方法，完成稳态、均匀、以及非稳态、非均匀入流对新型潜水器水动力的影响以及完成新型潜水器的斜航运动及回转运动的操纵性仿真。具体完成多个新型潜水器的设计分析及其附件的水动力设计，包括新型菱形翼水下滑翔机水动力造型设计，完成基于面元法的二维及三维的 NACA四字头翼形及螺旋桨的性能参数化研究、完成新型AUV的水动力计算及全方位没有奇异点的操纵运动仿真、完成新型碟形AUV-水下直升机的结构设计、基于面元法的附加质量、附加转动惯量、波浪力等水动力计算以及结合基于CFD计算的黏性水动力导数，分析新型AUV的运动稳定性和耐波性; 完成自主开发的多工况AUV全方位运动控制性能仿真软件。.本研究着手潜水器总体设计中，快速分析水动力外形及操纵性能的响应。应用本研究开发的面元法以及四元法分析各式新型AUV，包括碟形水下直升机(AUH)的稳态及非稳态的运动，完成基于面元法的新艇型和三维水翼及螺旋桨性能分析，是发展空泡性能模拟和边界层分离(Separation)等理论设计分析的重要基础。研究全方位分析AUV的多维没有奇异点的运动仿真，建立四元法全方位稳态海流影响模型，完成AUV运动响应分析，结合基于CFD的黏性水动力导数计算分析运动稳定性和基于面元法的耐波性分析等方面，完成AUV总体设计重要的流体动力分析，有利高效地布放、回收及作业的设计载荷分析。完成研发三维网路潜水艇运动性能程序设计、软件开发、专利申请。建立了四元法结合欧拉角法的六自由度水下直升机AUH运动路径稳定性的时域分析方程。完成具有双矢量螺旋桨差动的水下直升机AUH的运动仿真。研究方法进一步创造性整合面元法、四元法、欧拉角法、欧拉轴法及方向余弦法于AUV的全方位运动仿真。项目成果对任意形状的新型潜水器设计有具体的指导意义。

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