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可变翼混合驱动水下滑翔机变翼系统设计与航行性能研究
| 论文题名： | 可变翼混合驱动水下滑翔机变翼系统设计与航行性能研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;混合驱动;可变翼;多体系统动力学;航行性能 |
| 摘要： | 混合驱动水下滑翔机作为传感器搭载平台，在海洋监测领域发挥重要的作用。监测任务的多样化，对混合驱动水下滑翔机的航行性能提出了较高要求。航行经济性、稳定性和机动性作为水下滑翔机重要的航行性能，在不同任务工况下，性能的重要程度会发生变化。例如在长时序定常滑翔过程中，航行经济性和稳定性是关键性能；当滑翔机遇到障碍物，需要做转弯运动时，机动性成为了短时间内关键性能。当前混合驱动水下滑翔机，采用的多是固定机翼，在一个航行阶段，上述三种性能不能兼得，自适应能力较弱。为了提高滑翔机自适应能力，本文提出了具有三种变体功能的可变翼混合驱动水下滑翔机，通过改变机翼展弦比、后掠角和翻转角，提高在不同工况下的航行性能。论文取得了以下研究成果。 开发了可变翼混合驱动水下滑翔机变翼系统，设计独立变翼舱段，与PetrelⅡ进行有效集成。设计变翼机构，实现对分体机翼的驱动控制。将平面五杆机构与平面双平行四边形机构进行综合，实现输出杆件二自由度的平移运动。对驱动电机进行耐压和密封设计，对变翼系统主要零部件进行详细设计。 完成了传动系统运动学和动力学分析及仿真。利用旋转矢量法，建立传动系统的运动学正解方程。通过仿真，得到了输出构件的工作空间，驱动电机与可变机翼变体之间的定量关系。机翼展弦比变化范围为6~8，后掠角变化范围为0°~60°，机翼翻转角变化范围为0°~30°。通过求解运动学反解方程，推导出驱动电机的输入特性，在已知输出特性的情况下，对驱动电机的输入进行仿真。基于多体系统动力学基本理论，对传动系统进行多体动力学建模。通过动力学仿真，得到驱动电机所需提供的力矩，为驱动电机的选型提供依据。 基于多体系统动力学理论，将可变翼混合驱动水下滑翔机看成由六个体组成的多体系统，构建了多体系统的运动学和动力学模型。对滑翔机所受力：重力、浮力、螺旋浆推力、惯性流体动力和粘性流体动力，以及相应力矩进行详细分析。 分析了航行性能评价指标，利用变步长的四阶Runge-kutta方法对滑翔机进行空间运动仿真，并开展了实验研究。针对定常滑翔运动、空间螺旋运动和水平推进运动等运动模式，采取不同的机翼形状和姿态参数，对其运动行为进行仿真。按照仿真顺序，于2014年7月在丹江口坝前水域，开展实验研究。实验结果与仿真一致，表明本文设计的可变翼混合驱动水下滑翔机具有更佳的航行性能。 |
| 作者： | 杨志金 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王延辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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