无人潜航器无动力下潜轨迹仿真分析

LEI Yang WANG Zhanyong （710th Institute，China Shipbuilding Industry Group Co.，Ltd.，Yichang 443000）
Abstract This paper mainly studies the simulation analysis of the unpowered diving trajectory of an unmanned underwater ve⁃ hicle. The theory of rotational derivative is used to analyze the dive trajectory of six degrees of freedom for unpowered dive. Based on two kinds of dive ballasts，the paper analyzes the trajectory and dynamic parameters of unpowered dive under different dive and neg⁃ ative buoyancy conditions.
本文针对一款深海潜航器进行了下潜轨迹的 仿真，并结合半实物模型在湖上摸底试验采集的数 据进行对比，对于深海潜航器的设计具有非常重要 的指导意义［1~2］。
2 仿真分析
针对给定潜航体进行了自由下沉轨迹仿真，潜
航体运动采用基于 fortran 语言的六自由度运动方 程程序模拟，水动力通过基于 SIMPLE 算法的 CFD 工具获取六分量插值样本，针对不同压载的下潜轨
惯性系内质心平动的动力学方程：
u̇ = Fx /m ; v̇ = Fy /m ; ẇ = Fz /m
弹体系内绕质心转动的运动学方程：
ìϕ̇ íïθ̇ îïψ̇
= = =
ωx
ωy (ω
+ (ωy sin ϕ + ωz cos ϕ)tan
cos ϕ - ωz sin ϕ y sin ϕ + ωz cos ϕ)/ cos θ
符号 Xcg Ycg Zcg
单位 m m m
量值 5.59 0 0.546
采用四步 Runge-Kutta 或者 Adams 方法求解以
上 12 个方程，得到潜航体各时刻的质心位置和姿
-
í ïïïïïïî
ωx(-Jzxωx - Jzyωy + Jzxω̇ x - Jzyω̇ y + Jzzω̇ z
ωy(Jxxωx - Jxyωy - J
Jzzωz) = My + ωx(-Jyxω
xzωz) = Mz
x
+
J yy ω y
-
J yz ω z)
-
表 2 弧板几何参数
源自文库
序号 1 2 3
参数项目 X 向质心坐标 Y 向质心坐标 Z 向质心坐标
关键词 轨迹仿真；六自由度；水动力 中图分类号 N945.13 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2019. 05. 033
Simulation and Analysis of the Trajectory of Unmanned Underwater Vehicle
θ
弹体系内绕质心转动的动力学方程：
ìïïïïïï-JxJxyωωẋ ωzẋ(-x-+JJyxJxyωyωẏ ωxẏ +-y -JJyxJyzωyωż ωyż -+z +Jωyωzyω(z-(zJJ)xz=xxωωMxxx--
J zy Jxy
ωy ωy
+ -
J zz ω z) J xz ω z)
Vol. 39 No. 5 138
舰船电子工程 Ship Electronic Engineering
总第 299 期 201总9 年第第2959 期
无人潜航器无动力下潜轨迹仿真分析∗
雷 阳 王占勇
（中船重工第七一○研究所 宜昌 443000）
摘 要 论文主要研究无人潜航器无动力下潜轨迹仿真分析，采用旋转导数的理论对无动力下潜进行了六自由度的下 潜轨迹分析。论文以两种下潜压载为力，分别分析了不同的下潜负浮力工况下，无动力下潜的轨迹及动力参数。
序号 1 2 3 4 5 6
表1
参数项目 X 向质心坐标 Y 向质心坐标 Z 向质心坐标 X 向浮心坐标 Y 向浮心坐标 Z 向浮心坐标
潜航体几何参数
符号
Xcg Ycg Zcg Xcf Ycf Zcf
单位 m m m m m m
量值 等效质心坐标 0 0.025 3.634 0 0
∗ 收稿日期：2018 年 11 月 14 日，修回日期：2018 年 12 月 26 日 作者简介：雷阳，男，研究方向：UUV 总体技术。王占勇，男，研究方向：仿真计算。
Key Words trajectory simulation，six degrees of freedom，hydrodynamic Class Number N945.13
1 引言
随着近年对深远海领域的可靠研究加大，各类 型的深海水下无人潜航器发展迅速。但深海潜航 器的总体技术难度巨大，不同于浅水的潜器的研究 开发成熟。其需要的保障及试验花费巨大，同时面 临的海洋环境更加恶劣。在深海潜航器总体设计 之处，运用软件对即将加工的潜航器进行各参数的 仿真具有非常重要的意义。仿真结果不仅能够验 证设计方案的合理性，同时也能指导总体方案的优 化设计，是潜航体总体设计之中不可或缺的一环。
2019 年第 5 期
舰船电子工程
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表 1 中的 Xcg、Ycg、Zcg 为潜航体质心在几何坐 标系中的坐标，Xcf、Ycf、Zcf 为浮心在几何坐标系中
的坐标。
2）六自由度运动方程［6~7］
惯性系内质心平动的运动学方程：
ẋ = u ; ẏ = v ; ż = w
迹进行了仿真，结果表明，在 20kg 和 30kg 压载下均 能得到较好的下潜轨迹［3~8］。
1）计算模型及坐标系定义 潜航体几何坐标系 OXYZ：坐标原点 O 为潜航 体底部圆心，OX 轴位于纵向对称平面内，与体轴线 重合，指向前方为正；OZ 轴位于纵向对称平面内， 垂直于 OX 轴指向下方为正；OY 轴由右手法则确定。