[發明專利]開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法

在審

• 申請號: 201710186531.8
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN107085383A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 梁斌;王松濤;劉厚德;王學謙;胡曉;朱曉俊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 張潤

技術領域

本發明涉及數值仿真技術領域，特別涉及一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法。

背景技術

探索和開發海洋具有著重要的戰略意義。基于此，海洋水下機器人應運而生，在海洋領域發揮著重要的作用。隨著海洋水下機器人的不斷發展，其應用領域也不斷擴展，在海洋世界研究與開發、探索未知領域、科學實踐考察和水下工程實施等等方面都得到前所未有的突破。民用方面，海洋水下機器人主要被用來實現海洋環境數據監測和海底資源探索等方面。軍事方面，海洋水下機器人作為無人武器系統的重要組成部分，能實現長距離水下空間自主周圍環境勘測、目標識別跟蹤、情報收集傳輸，極大程度拓寬了水面艦船或潛艇的協同作戰空間，使得海洋水下機器人成為了未來水下戰爭中執行特殊作戰任務的重要手段之一。

開架式海洋機器人是海洋機器人中的重要組成部分，主要用來完成海洋水下操作任務及觀察任務。由于開架式海洋機器人的布局具有開放性，因此海洋機器人的結構形式種類多，外部特征不規則，因此很難采用經驗公式進行水動力參數估計，需要進行多次的水池拖拽試驗得到速度及相應的阻力值，來對機器人的水動力參數進行計算。通常開架式海洋機器人要進行數十次水池拖拽試驗，因此試驗周期長，同時試驗成本很高。數值仿真技術是一項通過計算機建模及運算來對物理現象進行準確模擬。目前，針對開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真技術尚為空白，即目前還沒有相關技術可實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

發明內容

本發明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發明的目的在于提出一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，該方法通過分析開架式海洋機器人數值模型和水池數值模型的參數設置，模擬實際拖曳試驗過程，避免了實際試驗中數十次水池拖曳操作，降低了試驗周期和試驗成本。

為了實現上述目的，本發明的實施例提出了一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，包括以下步驟：建立開架式海洋機器人三維數值模型；建立試驗水池數值模型，并對流體賦予不同的屬性及運動學參數來實現對試驗水池的數值仿真；建立數值裝配模型，并將所述開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝；設定水池拖拽試驗的數值仿真參數；執行水池拖拽試驗數值仿真過程，得到不同水流速度以及水流流動方向下的阻力值，以實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

另外，根據本發明上述實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法還可以具有如下附加的技術特征：

在一些示例中，所述建立開架式海洋機器人三維數值模型，進一步包括：僅建立所述開架式海洋機器人的外部特征數值模型，并通過開架式海洋機器人的實體數值模型替代其內部模型。

在一些示例中，所述開架式海洋機器人在x軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的長度，所述開架式海洋機器人在y軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的寬度，所述開架式海洋機器人在z軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的高度。

在一些示例中，通過在流體計算軟件中建立一塊流體域，得到所述試驗水池數值模型。

在一些示例中，所述流體域在X軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的長度，所述流體域在Y軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的寬度，所述流體域在Z軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的高度。

在一些示例中，所述流體域的尺寸根據開架式海洋機器人的外部特征進行建立。

在一些示例中，所述流體域的長度為所述開架式海洋機器人長度的5倍，所述流體域的寬度為所述開架式海洋機器人寬度的6倍，所述流體域的高度為所述開架式海洋機器人高度的6倍。

在一些示例中，所述將所述開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝，進一步包括：將所述開架式海洋機器人三維數值模型置于所述試驗水池數值模型的中心，并且所述開架式海洋機器人三維數值模型的x、y和z軸對應平行于所述試驗水池數值模型的X、Y與Z軸。

在一些示例中，所述設定水池拖拽試驗的數值仿真參數，進一步包括：根據試驗水池的實際物理參數，進行流體密度設置、動力粘度系數設置、流體流入速度設置以及流體流出速度設置。

在一些示例中，在所述水池拖拽試驗數值仿真過程中，根據相對速度原理，將所述開架式海洋機器人的運動速度轉化為相應的水池數值模型中的水流速度，且所述開架式海洋機器人保持靜止。