趙國(guó)良, 許 可, 趙春城, 范華濤, 姚晨佼

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導(dǎo)向喇叭口剖面半徑對(duì)AUV回收的影響

趙國(guó)良, 許 可, 趙春城, 范華濤, 姚晨佼

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫, 214082)

為了對(duì)形狀尺寸受限的自主式水下航行器(AUV)回收裝置導(dǎo)向喇叭口進(jìn)行合理設(shè)計(jì), 分析了彈簧模型和彈簧-阻尼模型2種接觸力模型對(duì)計(jì)算的影響, 研究了喇叭口剖面半徑和初始偏移量對(duì)回收接觸力和回收時(shí)間的影響規(guī)律, 提出了喇叭口的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法。在六自由度運(yùn)動(dòng)一般表達(dá)式的基礎(chǔ)上結(jié)合接觸力模型, 建立回收過(guò)程中的AUV運(yùn)動(dòng)方程, 設(shè)計(jì)適用于接觸力的時(shí)間離散求解程序, 在MATLAB環(huán)境下對(duì)AUV回收過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明, 阻尼在接觸模型中的作用有利于回收的順利進(jìn)行; 增加喇叭口剖面半徑對(duì)減小接觸力和回收時(shí)間均具有積極影響; 綜合評(píng)價(jià)系數(shù)可用于綜合考量設(shè)計(jì)指標(biāo)以確定喇叭口剖面半徑。

自主式水下航行器(AUV); 回收裝置; 導(dǎo)向喇叭口; 接觸力模型

0 引言

隨著對(duì)海洋的探索和開(kāi)發(fā)逐漸深入, 人們開(kāi)始在載人潛水器上布放回收自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV), 移動(dòng)式水下搭載與對(duì)接裝置保障了AUV在載人潛水器上的搭載、布放與回收, 極大程度地?cái)U(kuò)展了載人潛水器的水下作業(yè)能力, 并為AUV隱蔽任務(wù)開(kāi)展的保障提供了可能性。

目前, AUV搭載與對(duì)接裝置的形式主要有罩籠式、著陸式、捕獲式、機(jī)械臂式[1-5]和遙控航行器(remotely operated vehicle, ROV)捕捉式。其中罩籠式應(yīng)用最為廣泛, 其容易改裝, 可應(yīng)用于載人潛水器對(duì)AUV的背負(fù)式搭載。搭載與對(duì)接裝置對(duì)母艇的阻力、操縱性能等方面的影響不可忽略, 設(shè)計(jì)中要求在滿足其他技術(shù)指標(biāo)的前提下應(yīng)具有最小的外形尺寸。喇叭口作為外形突出的部分, 應(yīng)作為重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。尺寸較大的喇叭口可在一定程度上降低碰撞載荷, 并且可降低導(dǎo)引精度要求, 但有可能給載體性能帶來(lái)不可承受的負(fù)擔(dān), 而過(guò)小的喇叭口尺寸雖然對(duì)載體的影響較小, 但是導(dǎo)向過(guò)程中的載荷過(guò)大可能會(huì)對(duì)AUV造成損傷。為了在設(shè)計(jì)中找到合適的喇叭口外形尺寸, 有必要對(duì)回收過(guò)程進(jìn)行分析。碰撞分析和形狀因素對(duì)回收指標(biāo)的影響分析為首要關(guān)注問(wèn)題。

針對(duì)AUV回收過(guò)程中碰撞分析問(wèn)題, 國(guó)外尚無(wú)公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道。在國(guó)內(nèi), 史劍光等[6]利用ADAMS軟件對(duì)圓錐形喇叭口與AUV碰撞過(guò)程進(jìn)行分析, 張醫(yī)博等[7]對(duì)便攜式AUV水下對(duì)接過(guò)程中的碰撞進(jìn)行分析。兩者的研究中均涉及到喇叭口形狀特征對(duì)碰撞力和回收時(shí)間的影響分析, 但研究對(duì)象均為圓錐形的喇叭口, 不適合對(duì)于外形尺寸限制較為苛刻的移動(dòng)式搭載方式。文中以圓弧剖面形式的喇叭口為研究對(duì)象, 建立回收過(guò)程AUV的運(yùn)動(dòng)方程和接觸碰撞模型, 設(shè)計(jì)了有效的求解方法; 通過(guò)計(jì)算得到初始偏移量和剖面圓弧半徑對(duì)最大接觸力和回收時(shí)間的影響規(guī)律, 為載人潛水器上搭載與對(duì)接裝置喇叭口設(shè)計(jì)提供參考; 并提出綜合評(píng)價(jià)系數(shù), 為設(shè)計(jì)結(jié)果的性能綜合評(píng)價(jià)提供參考。

1 AUV運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系及標(biāo)識(shí)

2 AUV運(yùn)動(dòng)方程與接觸力模型

2.1 AUV運(yùn)動(dòng)方程的建立

水下運(yùn)動(dòng)六自由度運(yùn)動(dòng)方程的一般表達(dá)式結(jié)合接觸力, 得出AUV回收過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程為縱向力

橫向力

垂向力

橫滾力矩

縱搖力矩

偏航力矩

2.2 接觸力模型的建立

接觸力一般為AUV回收過(guò)程中特有的力, 由回收過(guò)程中AUV與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)碰撞接觸所產(chǎn)生, 其性質(zhì)為彈力(作用效果為碰撞力)和摩擦力, 具有作用時(shí)間短、變化梯度大、瞬時(shí)峰值高和作用位置不確定的特點(diǎn)。

2.2.1 碰撞力

AUV與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的碰撞可以看作是船舶碰撞問(wèn)題的一個(gè)分支。力學(xué)機(jī)理分為外部機(jī)理和內(nèi)部機(jī)理。外部機(jī)理主要描述剛體運(yùn)動(dòng)以及耗散于結(jié)構(gòu)損傷變形的碰撞能量, 是文章關(guān)注的重點(diǎn)。

彈簧阻尼模型作為一種廣泛應(yīng)用的碰撞力模型, 假定變形發(fā)生在接觸區(qū)的鄰域, 認(rèn)為接觸力是一種特殊的力, 將碰撞過(guò)程中碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題, 將接觸力等效成一個(gè)彈簧力和阻尼力模型。彈簧阻尼模型的廣義Hertz公式[10-12]具有如下形式

阻尼系數(shù)采用STEP函數(shù)表示, 表達(dá)式為

2.2.2 摩擦力

AUV與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不同于一般的正碰, 除碰撞以外的另一典型運(yùn)動(dòng)為兩者之間的相對(duì)滑動(dòng), 根據(jù)Mohr-Coulomb摩擦定律[11], 得

2.2.3 接觸力方向

3 求解方法

4 求解分析

4.1 計(jì)算模型描述

通過(guò)上述運(yùn)動(dòng)及受力分析在MATLAB環(huán)境下對(duì)AUV的導(dǎo)向過(guò)程進(jìn)行求解分析, 所采用的模型形式如圖6所示。

采用文獻(xiàn)[9]中的AUV模型, 動(dòng)系固定于AUV其原點(diǎn)位于AUV的幾何中心, 為計(jì)算方便將AUV艏部近似為半球型。回收導(dǎo)向機(jī)構(gòu)固定于定系, 為全對(duì)稱回轉(zhuǎn)形式, 前端喇叭口縱剖面為圓弧形狀, 與后端圓管剖面相切。定義喇叭口與圓管連接處中心點(diǎn)為定系原點(diǎn)。

4.2 彈簧模型與彈簧-阻尼模型對(duì)比分析

阻尼模型反應(yīng)碰撞期間的能量耗散, 與碰撞物體之間材料、結(jié)構(gòu)形式相關(guān), 研究阻尼模型作用對(duì)回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

以喇叭口剖面圓弧半徑=750 mm(偏移150 mm)回收為例, 2種模型下的AUV艏部運(yùn)動(dòng)軌跡以及回收過(guò)程AUV位置姿態(tài)情況分別如圖8和圖9所示, 速度變化曲線如圖10所示。

由以上結(jié)果可以得到, 該算法下AUV在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)彈性接觸力作用下其能量轉(zhuǎn)換流程為動(dòng)能—彈性勢(shì)能—?jiǎng)幽堋＜僭O(shè)碰撞作用時(shí)間很短(即忽略碰撞過(guò)程中水動(dòng)力和推力的影響), 由于沒(méi)有阻尼對(duì)碰撞能量的耗散, AUV在接觸位置處的法向動(dòng)能分量在很短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)艏動(dòng)能以及橫移動(dòng)能, 使AUV獲得較高的轉(zhuǎn)艏及橫向速度, 這種相互作用形式在后續(xù)接觸位置重復(fù)出現(xiàn), 出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象。隨偏移量的增加, 接觸角逐漸增大, 首次接觸造成的轉(zhuǎn)艏及橫移速度隨之增大, 當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)(如上述結(jié)果中在=500 mm, 偏移量250 mm以及=750 mm, 偏移量300 mm)AUV被彈出回收機(jī)構(gòu), 無(wú)法進(jìn)行回收。

表1 模型及運(yùn)動(dòng)參數(shù)

表2 力學(xué)模型參數(shù)

由于阻尼的存在, AUV碰撞位置處法向動(dòng)能分量的一部分將會(huì)在碰撞接觸過(guò)程中耗散掉, 相比無(wú)阻尼計(jì)算模型, 接觸分離之后所具有的轉(zhuǎn)艏及橫向速度值均較小, 造成的結(jié)果是后續(xù)碰撞的接觸角、接觸位置法向動(dòng)能分量均較小, 經(jīng)過(guò)少數(shù)幾次碰撞接觸之后, 艏向速度及橫向速度均達(dá)到較低值, 可相對(duì)平滑的進(jìn)入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部。相比無(wú)阻尼條件的計(jì)算結(jié)果, 阻尼作用可實(shí)現(xiàn)存在更大偏移情況下回收。

4.3 喇叭口剖面半徑

喇叭口的設(shè)計(jì)受多方面因素制約, 從回收成功率角度, 越大的開(kāi)口可提供越大范圍的導(dǎo)向, 有利于提高回收成功率, 但是從載人潛水器總體性能方面來(lái)講, 更大的喇叭口會(huì)增加更多的航行阻力以及更多的布置空間, 對(duì)水下移動(dòng)式搭載平臺(tái)造成不必要的負(fù)擔(dān)。另外AUV自身的操控性能、回收環(huán)境等因素共同作用的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)以及艏部形狀及形式、抗沖擊性能等同樣為喇叭口設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。

喇叭口與AUV的碰撞受力情況分析為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。從上述碰撞過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的分析可知, 減小碰撞角度有利于減小碰撞力的大小, 如圖11所示, 雖然具有直線剖面的喇叭口在整個(gè)開(kāi)口范圍內(nèi)碰撞角保持不變且始終為較小值, 但是與弧形剖面相比, 達(dá)到相同開(kāi)口大小需要更大縱向長(zhǎng)度。文中以圓弧形剖面的喇叭口為研究對(duì)象對(duì)回收過(guò)程中的導(dǎo)向情況進(jìn)行分析。

以圓弧型剖面導(dǎo)向罩為對(duì)象, 分別對(duì)剖面半徑為0.5~1.5 m, AUV初始偏移量為0.1~0.45 m進(jìn)行計(jì)算。

定義回收時(shí)間t為AUV艏部中心點(diǎn)從對(duì)接口以外1.2 m至以內(nèi)2.5 m所用的時(shí)間。將回收過(guò)程中產(chǎn)生的最大接觸力和回收時(shí)間t作為研究對(duì)象, 3 kn回收速度下,和t隨導(dǎo)向罩剖面圓弧半徑和初始中心偏移量的變化趨勢(shì)如圖12和圖13所示。

計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)為最大接觸力和回收時(shí)間t均隨著初始中心偏移量的增加而增加, 這一變化趨勢(shì)隨著導(dǎo)向罩喇叭口剖面圓弧半徑的減小變的愈發(fā)強(qiáng)烈。從AUV與導(dǎo)向罩接觸情況下的幾何關(guān)系圖14可以得到, 接觸點(diǎn)上接觸角隨著中心偏移距離的減小而減小, 同時(shí)隨著剖面圓弧半徑的減小而增加。如圖15所示, 初始碰撞接觸角度的不同所產(chǎn)生的作用效果差異表現(xiàn)在接觸點(diǎn)的速度分量和受力方向, 在接觸點(diǎn)處AUV的初始航速的法向分量sin與接觸角正相關(guān), 較大的接觸角對(duì)應(yīng)AUV在接觸法向具有較高的動(dòng)能分量, 而接觸力在定系下的橫向分量cos與接觸角負(fù)相關(guān), 該分力可使AUV轉(zhuǎn)艏起到動(dòng)能轉(zhuǎn)移的作用, 較大的接觸角會(huì)削弱這一作用效果使AUV法向動(dòng)能更多的由接觸作用吸收, 從而產(chǎn)生較高的接觸力和較長(zhǎng)的回收時(shí)間。

結(jié)合圖14可以發(fā)現(xiàn), 增大喇叭口剖面圓弧半徑可在整個(gè)喇叭口范圍內(nèi)降低接觸角數(shù)值水平, 因而減小接觸角對(duì)減小接觸力和接觸時(shí)間均有積極的影響。

4.4 綜合評(píng)價(jià)系數(shù)

盡管上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果顯示增大喇叭口剖面圓弧半徑具有積極的意義, 但是從設(shè)計(jì)角度而言, 該半徑不可過(guò)大, 需根據(jù)設(shè)計(jì)的考量側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

綜合評(píng)價(jià)系數(shù)可理解為類似評(píng)價(jià)函數(shù)[14]的一種指標(biāo)。在設(shè)計(jì)模型中應(yīng)針對(duì)需要綜合考量的主要指標(biāo)定義量化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn), 根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果計(jì)算該評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的值作為評(píng)判依據(jù)。這樣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)即綜合評(píng)價(jià)系數(shù)。準(zhǔn)確的評(píng)判模型建立本身即是系統(tǒng)且復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題, 但并不作為研究的重點(diǎn)。下文以綜合考慮回收力、回收時(shí)間和導(dǎo)向罩軸向長(zhǎng)度為例對(duì)綜合評(píng)價(jià)系數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中利用所建立的AUV回收過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)模型, 在MATLAB環(huán)境下對(duì)AUV回收過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算, 分析了喇叭口對(duì)AUV回收的影響。分析結(jié)果表明, 接觸力模型中的阻尼作用有利于AUV的回收, 喇叭口剖面圓弧半徑的增加有利于減小最大接觸力和回收時(shí)間, 綜合評(píng)價(jià)系數(shù)可用于對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的綜合考量, 以確定喇叭口剖面半徑。然而實(shí)際情況下的AUV對(duì)接回收過(guò)程要復(fù)雜的多, 后續(xù)研究涉及如下幾點(diǎn): 研究碰撞作用對(duì)水動(dòng)力參數(shù)的影響, 建立更準(zhǔn)確的AUV回收運(yùn)動(dòng)方程; 分析回收機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式以及材料等對(duì)接觸力的影響, 以獲得更準(zhǔn)確的接觸力模型; 探索更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)評(píng)判方法, 以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Influence of Profile Radius of Guiding Cone on Recovery of AUV

ZHAO Guo-liang, XU Ke, ZHAO Chun-cheng, FAN Hua-tao, YAO Chen-jiao

(State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Abstract: To reasonably design the recovery device’s guiding cone, whose shape and size are restricted for an autonomous undersea vehicle(AUV), the influences of the “elastic” and “elastic-damping” contact force models on the calculation are analyzed, and the influence of the guiding cone’s profile radius and initial offset on the recovery contact force and the recovery time are investigated, hence an evaluation method of the design of guiding cone is put forward. The general expression ofsix-degree-of-freedom motion and the contact force model are employed to establish the AUV motion equations in the recovery process, and a time discrete solution program that adapts to the contact force is designed to calculate the AUV recovery process on the software MATLAB. The results show that: 1) the damping in the contact model is conducive to the recovery process; 2) the increasein the profile radius has positive effect on reducing both contact force and recovery time, and 3) The comprehensive evaluation coefficient can be applied to comprehensively evaluating the design specification to determine the profileradius.

autonomous undersea vehicle(AUV); recovery device; guiding cone; contact force model

趙國(guó)良(1988-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要研究方向?yàn)锳UV水下搭載與對(duì)接技術(shù).

P754.3; TP242.6

A

2096-3920(2018)02-0166-08

趙國(guó)良, 許可, 趙春城, 等. 導(dǎo)向喇叭口剖面半徑對(duì)AUV回收的影響[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 166-173.

2017-12-13;

2018-02-01.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.011