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小型长航程AUV结构设计及动力学分析

秦玉峰  
【摘要】:小型长航程AUV(SLRAUV)是一种具有AUV作业能力且能大范围、长时序对海洋进行立体观测的新型水下运载器,其推进效率高、航行阻力小、作业范围大,可漂浮水面航行亦可水下定深航行。机体采用改进流体动力低阻力线型,航行阻力小,壳体空间利用率高,尾部推进螺旋桨采用低转速、大直径设计,在较低的转速时获得较高的推进效率,可使小型长航程AUV在较低的航速持续大范围航行,同时此种螺旋桨在高转速可获得较大的推力,可使小型长航程AUV以较大的航速前进,两种推进模式分别满足长航程和机动性要求。本文依托国家科技项目,面向我国长时序、大范围海洋环境观测的需求,设计和研制小型长航程AUV的工程样机。论文重点研究了小型长航程AUV的总体设计方案及单元设计方案,结合现行AUV的设计方法研究其长航程的实现原理,从高效推进、高效航行、高效转向、大能量搭载等几方面提高AUV的续航里程,融合AUV及AUG的驱动特点,设计小型长航程AUV的动作机构,浮潜系统采用AUG的驱动方法,推进系统采用常规AUV驱动方法,同时对动力推进螺旋桨进行效率优化,机体外形采用低阻力水动力外形,同时提高壳体内部空间利用率,在有限空间内搭载更多的动力电池,优化转向舵舵面参数提高其操纵效率,多方面提高AUV的航程。而后对小型长航程AUV进行动力学建模,建立运动学及动力学方程,分析机体外部受力与其运动状态的关系,基于已建立的动力学模型进行计算机仿真,分析其运动性能,验证结构设计的正确性,获取动力学参数。最后水域试验结果很好的证明其实现了预期指标及功能要求,进而验证设计方法的有效性。本文主要研究成果和创新点:1.结合AUV和AUG的驱动特点实现了小型长航程AUV的设计方法,并进行了相关的试验验证,该样机低速0.5m/s时,可连续航行大于700公里,最高航速可达2m/s,能进行全球定位和数据通讯。2.数值计算和实体建模相结合的方法设计低速、大直径的轻载螺旋桨,此方法设计螺旋桨快速、准确,同时此种桨能在较低转速获得较大的推进效率,高速下获得较大推力,最高效率可达0.73,最大推力60N。


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