吳書廣，徐晶晶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

沿底定深拖曳系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真

吳書廣，徐晶晶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

主要研究分析沿底定深拖曳系統(tǒng)的拖體機(jī)動(dòng)性，通過(guò)建立沿底定深拖曳系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算分析的方法，驗(yàn)證了沿底定深拖曳系統(tǒng)有足夠的定深能力和避障能力，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要采取輔助手段來(lái)提高避障高度。

沿底定深;拖曳系統(tǒng);機(jī)動(dòng)性;運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

現(xiàn)代錨雷向大深度和短系索方向發(fā)展，錨雷布深從幾米發(fā)展到幾百米，越來(lái)越深，系索從幾百米到幾米越來(lái)越短。因而，短距離沿海底定深的沿底接觸掃雷具就成了接觸掃雷具的一個(gè)重要發(fā)展方向。沿底定深拖曳系統(tǒng)是沿底接觸掃雷具的基本組成部分，因此需對(duì)沿底拖曳系統(tǒng)的拖體機(jī)動(dòng)性進(jìn)行研究，拖體機(jī)動(dòng)性包括沿底定深能力和爬坡避障能力。在此系統(tǒng)中定深器不僅要有足夠的定深能力以達(dá)到沿底定深高度，還要在遇到海底障礙物時(shí)擁有一定的爬坡能力以翻越障礙。為防止發(fā)生碰撞損壞拖體，需對(duì)拖曳系統(tǒng)的爬坡避障能力進(jìn)行研究。

1 拖曳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 拖纜數(shù)學(xué)模型

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，纜索模型為:

其中，變量矩陣為y=(T UtUnUbθ φ)T;系數(shù)矩陣為:

1.2 拖體六自由度運(yùn)動(dòng)方程

本文的拖體運(yùn)動(dòng)方程是基于“準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)”假設(shè)而建立的。所謂“準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)”，是指以速度和加速度為標(biāo)志的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。或者說(shuō)，以無(wú)因次值表示的物體運(yùn)動(dòng)速度對(duì)時(shí)間的所有高階導(dǎo)數(shù)都比運(yùn)動(dòng)速度和加速度小得多。這種運(yùn)動(dòng)假定加速度隨時(shí)間的變化率很小，它的極限狀態(tài)就是恒定加速度的運(yùn)動(dòng)?？梢宰C明，在流體中，作準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)的物體，所受到的水動(dòng)力只與運(yùn)動(dòng)的當(dāng)時(shí)狀態(tài)(即瞬時(shí)的速度和加速度)有關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)的歷程無(wú)關(guān)。這一結(jié)論大大簡(jiǎn)化了拖體水動(dòng)力的確定。

水下拖體在海洋中最一般的運(yùn)動(dòng)方式是六自由度空間運(yùn)動(dòng)，這6個(gè)自由度分別是縱向、橫向、垂向、橫傾、縱傾和偏航。拖體在海洋中運(yùn)動(dòng)時(shí)主要受到重力與浮力、拖纜拉力、慣性類水動(dòng)力、粘性類水動(dòng)力的作用。綜合拖體的受力分析與拖體平面運(yùn)動(dòng)的一般方程，可得到六自由度空間運(yùn)動(dòng)方程如下:

1.3 拖體運(yùn)動(dòng)方程的求解方法

在拖曳系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，拖纜與拖體是相互作用、相互影響的。拖纜提供張力拖帶著拖體向前運(yùn)動(dòng)，反過(guò)來(lái)拖體的阻力也影響了拖纜的運(yùn)動(dòng)。

本文基于對(duì)拖曳系統(tǒng)整體認(rèn)識(shí)上的考慮，為了保留拖纜與拖體之間的相互作用關(guān)系，拖纜部分仍然采用有限差分法;而對(duì)拖體部分不采用Runge-Kutta法，將拖體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型對(duì)時(shí)間進(jìn)行差分，將常微分方程組轉(zhuǎn)化為差分方程組，這樣拖體運(yùn)動(dòng)模型的形式就與拖纜運(yùn)動(dòng)模型的形式相同了。這時(shí)，將拖體作為拖纜的第n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，把拖體運(yùn)動(dòng)方程加到拖纜運(yùn)動(dòng)方程后面，作為一個(gè)整體共同求解。具體的做法是:將拖體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型式(2)改寫成如式(3)的形式:

式(3)中各系數(shù)的意義參見文獻(xiàn)［2］。其中，m為拖體的質(zhì)量;Ix，Iy，Iz分別為拖體對(duì) x，y，z軸的慣性矩。

首先將拖體方程組(3)變形為如下形式:

再將方程組(3)對(duì)時(shí)間進(jìn)行中心差分，得到差分形式的拖體方程:

2 定深拖體運(yùn)動(dòng)能力仿真分析

2.1 定深拖體外形尺寸

定深拖體如圖1所示，拖體上同時(shí)安裝有定深翼板和檢測(cè)裝置，當(dāng)拖體偏離預(yù)定高度或海底地形發(fā)生變化時(shí)，拖體的測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到距海底距離的變化，將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，由工控機(jī)經(jīng)過(guò)與其他檢測(cè)參數(shù)的計(jì)算給出定深翼板攻角參數(shù)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)定深翼板偏轉(zhuǎn)，使拖體反方向偏轉(zhuǎn)并縱向運(yùn)動(dòng)，直到拖體距海底的距離回到設(shè)定值。若遇到前方有障礙需要避開，則通過(guò)改變翼板攻角的方法使拖體爬坡以避開。

圖1 拖體示意圖Fig.1 Schematic diagram of towed body

拖體主體長(zhǎng)L=2.2 m，寬B=Φ=0.5 m，長(zhǎng)細(xì)比λ=L/B=4.4，定深翼板選型為NACA0012，單個(gè)定深翼板的基本結(jié)構(gòu)尺寸為展長(zhǎng)173 mm，弦長(zhǎng)450 mm，展弦比為0.38，其弦向投影面積為0.078 m2，2個(gè)定深翼板其弦向投影面積合計(jì)為0.156 m2。

2.2 定深過(guò)程仿真分析

采用定角下潛(拖體埋首20°)，以加快到達(dá)海底的速度。入水一定深度后，可以由深度傳感器來(lái)提供是否啟動(dòng)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的信號(hào);同時(shí)，還需要檢測(cè)距離海底的高度信號(hào)，作為轉(zhuǎn)入沿底定深控制的信號(hào)切換，當(dāng)距離海底高度為20 m時(shí)轉(zhuǎn)入沿底控制階段。

拖體運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，首先經(jīng)過(guò)25 s的時(shí)間拖體入水深度達(dá)到60 m，這時(shí)展開器開始定角下潛，大約再經(jīng)過(guò)75 s的時(shí)間拖體到達(dá)距離海底20 m的地方，進(jìn)入沿底定深控制狀態(tài)，總共需要130 s的時(shí)間拖體可以達(dá)到沿底5 m定深。

圖2 下潛定深拖體高度變化仿真曲線Fig.2 Height change emulate curve of towed body with submersible depth controller

2.3 避障過(guò)程仿真分析

在8 kn航速下，當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，拖體進(jìn)入爬坡狀態(tài)，首先調(diào)整翼板攻角，調(diào)整速度為1°/s，然后開始爬坡，對(duì)拖體在水中運(yùn)動(dòng)的250 s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可以看出，拖體由沿底5 m定深爬坡到15 m高度避開障礙物所需的時(shí)間約為6 s，此時(shí)拖曳速度為8 kn，因此在距離障礙物25 m時(shí)就要探測(cè)到障礙物，開始改變翼板攻角，進(jìn)行爬坡運(yùn)動(dòng)，才可以避開障礙物。改變拖曳速度得到仿真計(jì)算結(jié)果，見表1。

?

加大定深翼板面積，將其面積改為0.156 m2，得到拖體在不同拖曳速度下爬坡時(shí)間結(jié)果，見表2。

由表1和表2可以看出:加大定深翼板面積之前，拖體如果要避開障礙物大約在離障礙物25 m的地方就要開始改變翼板攻角，開始爬坡運(yùn)動(dòng);而在加大定深翼板面積之后，由于受到的流體動(dòng)力增大，拖體爬坡速度變快，在距離障礙物大約17 m處開始改變翼板攻角就可以越過(guò)障礙。

?

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真計(jì)算分析了定深拖體的定深及爬坡能力。經(jīng)過(guò)計(jì)算表明:拖體可以有足夠的定深能力以達(dá)到沿底定深，并且在一定距離處發(fā)現(xiàn)障礙并采取措施是可以翻越障礙的。但是，拖體本身能翻越的障礙物高度不是很大，在實(shí)際使用中還應(yīng)輔以收纜的工作方式，這樣拖體的避障高度可進(jìn)一步提高。

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Reseach on motion simulation of towed system with bottom depth controller

WU Shu-guang，XU Jing-jing
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China)

This paper mainly studies towed body's trafficability of the towed system with bottom depth cotroller，and by means of establishing mathematic model，and using the motion simulation analysis method，proving the towed system with bottom depth cotroller has depth controlling ability and obstacle avoidance ability，but in the actually application would need to take auxiliary means to improve obstacle avoidance height.

bottom depth controller;towed system;trafficability;motion simulation

TJ61+7

A

1672－7649(2012)04－0071－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.016

2011－11－02;

2012－02－06

吳書廣(1974－)，男，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。