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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

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 水下滑翔机发展现状

1.3 混合驱动水下滑翔机发展现状

1.4 可变翼混合驱动水下滑翔机研究现状

1.5 本文研究意义

1.6 本文研究的主要内容

第二章 可变翼混合驱动水下滑翔机变翼系统设计

2.1 引言

2.2 总体布局设计

2.3 变翼机构设计

2.4 驱动电机耐压密封结构设计

2.5 平面并联机构设计

2.6 执行机构设计

2.7 本章小结

第三章 传动系统运动学及动力学分析

3.1 引言

3.2 传动系统运动学分析

3.3 传动系统动力学分析

3.4 本章小结

第四章 基于多体理论的可变翼混合驱动水下滑翔机建模

4.1 引言

4.2 运动学分析

4.3 可变翼混合驱动水下滑翔机受力分析

4.4 可变翼混合驱动水下滑翔机多体动力学建模

4.5 本章小结

第五章 可变翼混合驱动水下滑翔机航行性能研究

5.1 引言

5.2 性能评价指标

5.3 航行静稳定性计算流体力学仿真

5.4 可变翼混合驱动水下滑翔机运动仿真

5.5 可变翼混合驱动水下滑翔机水域实验

5.6 运动仿真与水域实验对比分析

5.7 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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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。

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