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海洋牧场监测系统装载平台的研究

彭伟锋  
【摘要】:随着全球陆地资源日趋紧张和环境的不断恶化,加之世界人口的不断增加,各国纷纷将经济发展的重心转向海洋,修复海洋生态、发展海洋经济成为沿海各国国民经济的重要举措。而作为一种新型的大型人工渔场,海洋牧场边发展边治理的方式越来越受到全世界的认可和推广。在发展海洋牧场的同时,针对海洋牧场监测的配套设备也越来越得到重视,虽然目前市场上的水下运载器种类繁多,但这些运载器并不适合海洋牧场这种环境复杂空间狭小的工况.。 本设计根据海洋牧场复杂海洋环境的特点设计了一种针对性强、运动灵活的水下运载器,对传统的运载器的推进系统进行了改进,并且分别设计了一种新的类型的转艏系统和沉浮系统。在分析了国内外典型的运载器的优缺点的基础上,结合海洋牧场的复杂环境的特点,对运载器推进、转艏和沉浮三大系统进行了创新设计,使其能够适应环境复杂、空间狭小的海洋牧场环境。 首先对运载器进行了总体设计。针对海洋牧场海洋动植物共存、空间狭小等特点,设计了一种新型的转艏系统,无需转艏空间实现原地转艏,把传统的运载器三自由度运动减少为两自由度的运动,简化了运载器的模型;沉浮系统采用活塞式系统,使运载器能够无动力悬浮于水中,同时能够降低运载器的重心,增加了运载器的稳定性;并将传统的双电机驱动双螺旋浆推进方式改进为单电机驱动双螺旋浆推进,保证了螺旋桨无差速推进,从而保证运载器的直线推进。在此基础上对运载器推进和沉浮时的动力和阻力进行了详细计算和分析,给出了运载器的速度、加速度和位移公式。 在分析了运载器合外力和力矩作用的前提下,导出了运载器的运动学和动力学模型,并进行了相应的运动学和动力学分析。结合本文设计的运载器的受力分析和空间运动方程建立了运载器推进系统和沉浮系统的运动仿真数学模型,导出了运载器的传递函数,并在此基础上求出了运载器的闭环传递函数,根据系统的闭环传递函数设计了相应的Simulink仿真图进行了仿真,得出了有效的PID控制参数来验证该运载器的可行性。 对运载器在水下的基本运动进行了FLUENT流体分析,得到了运载器运动的压力云图、速度云图和速度矢量云图以及各个运动的阻力和阻力系数,并结合运载器运动时的受力情况对仿真数据进行了对比分析,得出了分析结论,为运载器的进一步优化设计提供了方向。


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