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自治水下机器人(AUV)三维结构设计及仿真分析

孙丽  
【摘要】:海洋蕴藏着丰富的自然资源,有效地开发利用海洋资源对人类未来生存和发展具有十分重要的意义,水下机器人是认识海洋、开发海洋必不可少的重要手段。作为水下机器人的一个重要分支——自治水下机器人(AUV),因其具有环境适应性强、活动范围大、使用方便等诸多优势,逐渐成为当今研究的热门领域。 本文根据设计任务书的技术指标,在第一代开架式AUV的基础上,完成第二代AUV原型样机的结构设计,涉及的部分包括有耐压舱设计、推进器排列设计、摄像机间距调节系统设计、整体布局设计以及结构的材料选择。此外鉴于AUV工作环境复杂,而耐压舱的壁厚设计对于整体AUV的安全起到至关重要的作用,本文对于耐压舱壁厚进行了详细的设计,具体方法为:在判别圆筒的属性后,选择经验公式,采用试算的方法进行设计计算,而后运用COSMOSWorks软件进行静力分析,得出分析图像,进行强度的校核,保证了耐压舱的安全性及AUV设计的可靠性。 为了更好的研究AUV运行中阻力及流动情况,本文选用CFD分析软件FLUENT进行了一系列的水动力分析等工作。由于AUV自身携带能源有限,所以为了提高能源利用率,本文设计的AUV采用流线型结构,该结构通过流线型导流罩外壳实现。为了最大限度的降低能源损耗,本文进行了导流罩外壳的形状优化设计。在已有框架结构设计的基础上,确定了所需满足的基本尺寸,通过流线型和半圆型过渡在头部和尾部的不同组合,形成四种导流罩模型,而后运用FLUENT分别对四种模型进行仿真模拟,得出它们的阻力及各项阻力系数,通过比较模型间不同阻力的变化,并综合模型尺寸的影响,选出最优模型,完成AUV导流罩的优化设计。至此完成AUV虚拟样机的设计。 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。首先采用5种不同的网格模型,分别在三种湍流模型下进行模拟计算,经过与经验公式计算值的比较分析,并综合考虑计算速度等因素,得出最佳网格模型与最佳湍流计算模型,并以此作为后续仿真的基本条件。而后分别进行了不同运行速度下、不同工作深度下、不同雷诺数下AUV的运行情况分析,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,此外还分析了AUV升沉运动时的水动力情况。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。


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