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螺旋推进式水下航行器结构设计与外形优化

李阳  
【摘要】:海洋幅员辽阔,海洋开发和利用、海上力量壮大等一系列国家海洋战略的振兴和实施,都需要一系列的海洋装备的支撑,水下航行器作为高新技术装备,是海洋探索的重要手段。实现水下航行器大航程、高航速、可携带多种探测设备是实现探索海洋任务的关键所在。本文通过对自主式螺旋推进水下航行器设计与优化,旨在提高航行器水动力性能。首先对水下航行器总体方案进行设计,根据其系统构成和性能要求制定本文的设计流程。对航行器艇型进行选型,分析总结“旗鱼”水下航行器后,提出本次水下航行器外形型线初步设计,基于计算流体力学对航行器主体型线进行数值模拟,分析对比各个参数的外形型线的水动力性能,综合考虑阻力和配置空间的因素,确定艇体外形型线。水下航行器耐压舱及舱段连接结构是整个航行器内部构件的安全基础。对航行器耐压壳体材料进行选型,采用外压容器理论设计理论和ANSYS软件模拟仿真相结合的方式对耐压壳体进行设计与分析。在分析了第一代水下航行器连接方式后,舱段间决定采用楔环结构连接,并对楔环安全性和可靠性进行分析。推进系统是水下航行器实现航行快速性、操控性、大航程的基础,推进系统包括尾翼优化设计、导管螺旋桨图谱设计和推进系统能源供给三大模块。尾翼采用仿生学设计,力求在操控性能相同的基础上,获得更优的阻力性能;导管螺旋桨增加导管结构,降低了空泡现象,提高了推进效率;能源供给采用能量密度更高的锂—亚硫酰氯电池组,并通过实验对比验证其能量供给高效性。在初步外形设计后,采用遗传算法对航行器外形进行优化,以航行阻力低、排水量大作为优化目标,通过水动力性能分析验证优化后尺寸更佳。


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