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拖曳式线列阵声纳非线性水动力学特性数值研究
| 论文题名： | 拖曳式线列阵声纳非线性水动力学特性数值研究 |
| 关键词： | 拖曳线列阵声纳;水动力学特性;缆索动力学;回转机动;建模方法 |
| 摘要： | 拖曳式线列阵声纳是广泛应用于工业、科研和国防的一种水下高技术密集型装备，研究其水动力学特性是拖曳式线列阵声纳系统设计、使用的基础。本文采用数值手段研究了两种形式的拖曳式线列阵声纳（单线阵和多线阵）的非线性水动力学特性，主要工作如下： 1)首先概述了拖曳式线列阵声纳，综述了水下缆索动力学的研究现状，对比并评价了主流的缆索动力学建模方法。 2)基于微元法，分别采用欧拉角和欧拉参数两种表示方法，在拉格朗日坐标系下推导了考虑弯曲、扭转刚度以及几何、材料、边界、载荷等多种非线性因素的三维缆索动力学偏微分控制方程组。 3)编写了求解该拖缆动力学控制方程的Matlab程序。基于有限差分 box scheme对控制方程组进行有限差分离散，列出线列阵首尾两端边界条件，编写了松弛法求解偏微分方程组边值问题的求解程序。 4)分析了单线阵的水动力学性能。基于编写的Matlab代码，计算了单线拖曳阵在稳态直航、360°回转时的动力响应，对拖速、海流、回转半径等参数做了敏感性分析。首次提出了闭环效应和闭环半径的概念来分析拖线阵的回转特性。 5)初步分析了多分枝拖曳线列阵的水动力学性能。以Orcaflex为工具，建立了一个比较初步的左右对称型四分枝拖曳线列阵模型，分析了拖速、波高对稳态直航时该系统动力学性能的影响。 通过上述研究，得到的主要结论如下： 1)有限差分缆索动力学模型中，欧拉参数表达法可以避免欧拉角法在坐标转换过程中可能造成的奇异性问题，此外纳入了非线性应力-应变关系，可使缆索模型更具一般性。 2)稳态直航工况下，拖速对多线阵动力学性能的影响与对单线阵动力学性能的影响趋势相似。波浪会减小多线阵各列阵之间的间距，减弱系统的展开程度。 3)静水条件下，拖速降低到一定程度时，拖线阵深度进入回转工况后呈先下降后上升的V型变化。当回转半径增加，这种 V型变化趋势将随回转半径的增大而减弱。拖线阵的闭环半径随着拖船回转半径减小而减小。 4)在单线阵的回转机动中，海流的引入会使张力、深度等参数产生振动现象；深度和张力的震荡频率均随着回转半径减小而增大；深度的振幅随回转半径的减小而增大，而张力的振幅随回转半径减小而减小。 5)海流会降低拖线阵的闭环半径，降低程度与流速大小呈正比；海流的方向并不会改变闭环半径的大小，海流方向决定了张力和深度振动的相位，从而延迟或提前闭环响应的出现时间。 |
| 作者： | 张洋 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 朱克强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 宁波大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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