波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析与结构优化

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波浪滑翔器是一型能够将波浪能转换为前向驱动力的无人航行器,在航行速度方面其关键核心在于如何提高水下牵引机的滑翔动力,其中波浪动力转换效率是影响水下牵引机滑翔动力的重要因素,只有充分提升波浪动力转换效率才可以最大程度上地提升其航行速度,进而提高波浪滑翔器的控位能力与导航精度。因此如何最大限度的将波浪能转换为前向动力是当前波浪滑翔器技术研究的焦点。本文针对“海哨兵”波浪滑翔器水下牵引机的弹性摆板机构进行了动力学研究,揭示了弹性摆板机构中各参数对滑翔动力的影响机理,进而对水下牵引机完成了结构优化设计。本文围绕提升水下牵引机的滑翔动力开展了如下研究工作:首先,本文阐述了波浪滑翔器的工作机理,对其主要动力转化机构的参数进行了详细描述,并根据其工作状态对水下牵引机的运动作出合理性假设。其次,增设质心坐标系,利用坐标变换确定坐标系间的转换关系,分析水下牵引机与水翼的受力情况并根据两者之间的固联关系将其内部作用力进行省略,通过牛顿-欧拉方法对水下牵引机构建三维动力学模型,将水翼的三维受力情况化简为水下牵引机纵垂面上二维受力进行分析,搭建一套可以完整表达弹性摆板机构各参数与水下牵引机滑翔动力的显式力学关系。然后,利用流体仿真方法对水下牵引机不同结构参数(自重、水翼俯仰角、弹簧)进行仿真,绘制了不同参数与水下牵引机纵向运动的关系曲线,同时根据仿真结果显示的最优参数对水下牵引机进行优化设计。最后,通过水池试验及海试对水下牵引机优化前后的性能进行了比对,验证针对水下牵引机进行的仿真分析和优化设计的准确性。结果表明:本文对水下牵引机结构层面进行的优化对其滑翔动力的提升具有显著效果,其理论分析和仿真研究均较为可信,对未来波浪滑翔器水下牵引机的结构优化设计提供了理论参考。
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