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极区气垫平台运动学模型及运动操纵策略研究
| 论文题名： | 极区气垫平台运动学模型及运动操纵策略研究 |
| 关键词： | 极区气垫平台;运动学模型;操纵策略;制动距离 |
| 摘要： | 极地气垫破冰/运输平台是一种兼具破冰与运输功能的新型极地装备，具有运载能力强、复杂地形通过力强和航速高等特点，对提高我国极地科考具有重要意义。由于极区气垫平台在敷雪冰层上航行时摩擦力极小，导致气垫平台极易发生侧滑、甚至甩尾失控的危险状态。另外，极区气垫平台在极区条件下航行时，容易受到外界环境风的影响，因此，有必要设计研究方案对极区气垫平台冰面摩擦力特性以及气动特性进行研究，进而建立气垫平台的运动与操纵数学模型，研究气垫平台在极区条件下的运动操纵特性。 由于气垫平台在极区敷雪冰层上航行时，气垫压力变化较小，可忽略纵摇、横摇及升沉方向的运动，本文直接建立三自由度运动学模型。首先，针对气垫平台在极区敷雪冰层上的运动特点，根据模型相似性原理设计了等缩比为1∶5的试验模型。在船模水池实验室的模拟冰面平台条件下，针对不同拖曳速度及侧滑角情况进行模拟冰面运动特性试验，得到了不同漂角和速度下，平台所受的纵向力、横向力以及转艏力矩。通过对比分析及插值原理得到不同速度下极区气垫平台运动漂角和冰面摩擦力关系的计算公式，与国外相关试验数据对比基本吻合。最后应用插值的方法，进一步推导了气垫平台在360度方向的冰面摩擦力模型。 针对气垫平台在极区航行时的气动阻力问题，依据气垫平台的主要设计指标，建立了气垫平台的三维模型。在CFD软件中模拟不同风速和风向角下的气垫平台受力，分析了气垫平台的气动力/力矩的变化随风速及风向角下的气动特性。通过对气动力/力矩系数进行曲线拟合，得到极区气垫平台在不同相对风向角下的气动力系数，从而建立了气垫平台在极区航行的风载荷模型。 通过机理分析法，综合气垫平台的冰面摩擦力模块和气动特性模块，建立了气垫平台在极区航行的三自由度运动学模型。进一步分析气垫平台推进和操纵系统特点，构建了气垫平台推进系统和操纵系统的数学模型，综合冰面摩擦特性和气动阻力特性研究成果，构建了极区气垫平台运动与操纵一体的数学模型。最后编写了气垫平台运动与操控仿真软件，并进行了模型在特定工况下的仿真验证，验证了气垫平台运动操纵数学模型的合理性和正确性。 最后，对极区气垫平台进行综合运动与操控仿真分析，包括直航运动和回转运动。通过对运动仿真结果的分析，得出了极区气垫平台在不同工况下的运动与操纵特性，提出了气垫平台的极区安全操纵边界，包括安全回转最大操舵角、不同巡航速度下制动距离等，初步得到了气垫平台极区安全操控策略，对我国极区气垫平台总体设计技术及操控方法研究具有重要意义。 |
| 作者： | 杨沛 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 李锋;高嵩 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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