無人潛航器無動力下潛軌跡仿真分析?

雷 陽 王占勇

（中船重工第七一○研究所 宜昌 443000）

1 引言

隨著近年對深遠(yuǎn)海領(lǐng)域的可靠研究加大，各類型的深海水下無人潛航器發(fā)展迅速。但深海潛航器的總體技術(shù)難度巨大，不同于淺水的潛器的研究開發(fā)成熟。其需要的保障及試驗花費(fèi)巨大，同時面臨的海洋環(huán)境更加惡劣。在深海潛航器總體設(shè)計之處，運(yùn)用軟件對即將加工的潛航器進(jìn)行各參數(shù)的仿真具有非常重要的意義。仿真結(jié)果不僅能夠驗證設(shè)計方案的合理性，同時也能指導(dǎo)總體方案的優(yōu)化設(shè)計，是潛航體總體設(shè)計之中不可或缺的一環(huán)。

本文針對一款深海潛航器進(jìn)行了下潛軌跡的仿真，并結(jié)合半實(shí)物模型在湖上摸底試驗采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對于深海潛航器的設(shè)計具有非常重要的指導(dǎo)意義［1～2］。

2 仿真分析

針對給定潛航體進(jìn)行了自由下沉軌跡仿真，潛航體運(yùn)動采用基于fortran語言的六自由度運(yùn)動方程程序模擬，水動力通過基于SIMPLE算法的CFD工具獲取六分量插值樣本，針對不同壓載的下潛軌跡進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，在20kg和30kg壓載下均能得到較好的下潛軌跡［3～8］。

1）計算模型及坐標(biāo)系定義

潛航體幾何坐標(biāo)系OXYZ:坐標(biāo)原點(diǎn)O為潛航體底部圓心，OX軸位于縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，與體軸線重合，指向前方為正；OZ軸位于縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，垂直于OX軸指向下方為正；OY軸由右手法則確定。

表1中的Xcg、Ycg、Zcg為潛航體質(zhì)心在幾何坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，Xcf、Ycf、Zcf為浮心在幾何坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

2）六自由度運(yùn)動方程［6～7］

慣性系內(nèi)質(zhì)心平動的運(yùn)動學(xué)方程:

慣性系內(nèi)質(zhì)心平動的動力學(xué)方程:

彈體系內(nèi)繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的運(yùn)動學(xué)方程:

彈體系內(nèi)繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學(xué)方程:

表2 弧板幾何參數(shù)

采用四步Runge-Kutta或者Adams方法求解以上12個方程，得到潛航體各時刻的質(zhì)心位置和姿態(tài)角。

3）壓載為20kg的軌跡仿真［9～13］

（1）潛航體X向等效質(zhì)心坐標(biāo)計算

Xcg=（3350kg×3.634m+20kg×5.59m）/（3350kg+20kg）=3.64561m

（2）轉(zhuǎn)動慣量計算

假設(shè)潛航體為均勻質(zhì)量分布的長L為7m、半徑r為0.4m的圓柱體，根據(jù)Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12計算得到:

Ixx=Mr2/2=3370×0.42/2=269.6kgm2Iyy=Izz=ML2/12=3370×72/12=13760.8kgm2

這里需要說明的是，流體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)的取值規(guī)則根據(jù)仿真工況的不同有所差別，具體如下。仿真采用如下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù):

（3）軌跡仿真

壓載20kg，下潛6000m，歷時16311s，約4.53h，螺旋直徑17m，平衡狀態(tài)下的彈道傾角46.4°，攻角40.6°，側(cè)滑角-9°。如圖1～2所示為壓載20kg的下潛仿真示意圖［8～10］。

4）壓載為30kg的軌跡仿真

（1）潛航體X向等效質(zhì)心坐標(biāo)計算

Xcg=（3350kg×3.634m+30kg×5.59m）/（3350kg+30kg）=3.65136m

（2）轉(zhuǎn)動慣量計算

假設(shè)潛航體為均勻質(zhì)量分布的長L為7m、半徑r為0.4m的圓柱體，根據(jù)Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12計算得到:

Ixx=Mr2/2=3380×0.42/2=270.4kgm2Iyy=Izz=ML2/12=3380×72/12=13801.6kgm2（3）軌跡仿真

壓載30kg，下潛6000m，歷時12671s，約3.52h，螺旋直徑17m，平衡狀態(tài)下的彈道傾角49.5°，攻角42.3°，側(cè)滑角-11°。如圖3～4為30kg下潛壓載下潛軌跡仿真圖。

圖1 軌跡圖

圖2 傾角、攻角、側(cè)滑角時間歷程

圖3 傾角、攻角、側(cè)滑角時間歷程

圖4 傾角、攻角、側(cè)滑角時間歷程

3 結(jié)語

采用六自由度運(yùn)動方程對不同壓載的下潛軌跡進(jìn)行了仿真，水動力通過基于Simple算法的CFD數(shù)值計算得到，潛航體旋轉(zhuǎn)帶來的阻尼力矩假設(shè)為某一常數(shù)，仿真結(jié)果表明:

壓載20kg，下潛6000m，歷時4.53h，螺旋直徑17m，平衡狀態(tài)下的彈道傾角46.4°，攻角40.6°；

壓載30kg，下潛6000m，歷時3.52h，螺旋直徑17m，平衡狀態(tài)下的彈道傾角49.5°，攻角42.3°。

該結(jié)果與用理論值計算出的水動力參數(shù)相差不大。從運(yùn)動規(guī)律、運(yùn)動參數(shù)等方面驗證了實(shí)際總體設(shè)計方案的合理性。