水下机器人可替代人类在未知与危险环境中探索作业,被广泛应用于海洋勘探、核电维检等水下任务,集特殊性与复杂性于一体的水下工作环境对机器人的作业精度及可靠性提出更高要求。水下机械臂作为水下机器人的重要组成部分,其动力学模型是灵活作业与精准控制的重要前提,但现有水下机械臂动力学研究存在未充分考虑水环境影响的问题,以致水下机械臂动力学模型构建的精确性与完整性亟待提升。针对上述问题,本文开展基于计算流体力学的水动力学数值计算研究,实现基于水动力学的水下机械臂动力学模型分析与建立,通过模拟仿真与实验验证方案准确性。本文的主要研究内容如下:1、针对水动力学深入分析现有研究方案,总结适用于大多数水动力学研究的一般假定条件,补充惯性水动力及粘性水动力特有的假定条件;分析解决水动力学问题的两大基本控制方程,选定二方程模型k-ω为合适的湍流模型;基于Morison公式建立由水阻力与附加质量力形成的惯性水动力数学模型,基于泰勒展开式建立由位置力、旋转力与耦合力形成的粘性水动力数学模型,并提取各模型中需求解的未知系数。2、基于计算流体力学分析求解水动力学模型中的未知系数,通过模拟不同工况下机械臂的水下运动,测定并分析机械臂的受力情况;采用理论分析与数值计算相结合的方法分别计算以水阻力、附加质量力为核心的惯性水动力学系数和以位置力、旋转力、耦合力为核心的粘性水动力学系数,建立完整且符合实际工况的水动力学模型。3、基于牛顿欧拉法建立机械臂动力学方程,分别推导外推迭代与内推迭代动力学算法的计算公式,并针对所研究机械臂进行具体的分析与计算;考虑所研究机械臂的运动及受力情况,具体分析水下机械臂的摩擦力影响与浮力影响;基于广义化水下机械臂动力学方程,系统整合动力学模型、水动力学模型及其余影响因素所建数学模型,建立完整的水下机械臂动力学模型。4、针对三种不同机械臂尺寸模型及六种不同运动工况,搭建水下机械臂与水体环境的仿真及实验平台,仿真模拟静水环境中水下机械臂运动,通过比较水动力仿真力矩值与水动力学模型计算力矩值,验证水动力学模型建立的准确性;实验测定静水环境中水下机械臂驱动力矩值,与水下机械臂动力学模型计算力矩值相比较,验证基于水动力学的水下机械臂动力学模型建立的准确性。