CN115186471A - 一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，通过分别对辅助推进、注排水、干湿转换舱因气压变化导致的剩余静载及艇体压缩、密度变化引起的等效静载变化进行建模，得到水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模型，根据以上模型搭建立运动仿真模型，本发明能够对悬停进出舱时两种驱动源(注排水、辅助推进)、多因素(载荷变化、气压变化、密度变化、艇体压缩)耦合作用下运载器垂向运动进行模拟仿真。

Description

一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法

技术领域

本发明属于水下潜器操纵控制的技术领域，尤其涉及一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法。

背景技术

水下干式运载器是执行特种作战的重要装备，其要求在水下进行载荷投放及回收，除坐沉海底式的进出舱方式之外，在一定深度下悬停进出舱也是水下干式运载器载荷进出舱的主要方式之一。而对于悬停进出舱过程，影响其垂向运动的因素较多，如注排水、辅助推进、运载载荷、干湿转换舱气压、海水密度及艇体压缩变化等，需要建立运载体载荷悬停进出舱下的垂向运动模型，在陆上对垂向运动进行仿真验证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，能够对悬停进出舱过程中多因素作用下的垂向运动进行模拟，为运动仿真及控制系统设计提供数字仿真手段。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)通过分析受力特性对自由垂向运动及注排水驱动下的垂向运动进行模拟；

S2)建立辅助推进模型；

S3)建立注排水模型；

S4)对干湿转换舱因气压变化导致的剩余静载进行建模；

S5)对艇体压缩、密度变化引起的等效静载变化进行建模；

S6)结合S2～S5中的各模型，搭建水下干式运载器垂向运动仿真模型。

按上述方案，步骤S1中包括如下具体内容：

用四个状态量描述水下干式运载器的垂向运动：垂速w、纵倾角速度q、深度ζ，纵倾角θ，通过分析受力特性得到水下干式运载器的垂向运动微分方程如下：

其中

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速分别产生的垂向力，Z(T)为辅助推进产生的垂向力；Z(P)为剩余静载项，P包含了初始项P₀、注排水增项ΔP_equ、艇体压缩增项ΔP_cps、密度增项ΔP_dsy，气压平衡导致的干湿转换舱水量增项ΔP_wat、运输载荷增项ΔP_load；

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速产生的纵倾力矩；M(T)为辅助推进产生的纵倾力矩；M(L)为前后调水所产生的纵倾力矩；M(P)为剩余静载产生的纵倾力矩；M(θ)为扶正力矩。

按上述方案，步骤S2中包括如下具体内容：

辅助推进产生的垂向力Z(T)由若干辅推构成，

θ_i为各辅推产生力的方向与机体系Z轴的夹角；M(T)为各辅推产生的力矩和；各Ti动态特性如下：

其中n_i为辅推i的实时转速，N_imax为辅推i的最大转速，N_ia为其转速的加速度值，k为比例系数。

按上述方案，步骤S3中包括如下具体内容：

注排水产生的剩余静载ΔP_equ为剩余静载项Z(P)的一部分，其为流速S随时间的积分为ΔP_equ＝∫S，注水时S为正，排水时S为负，对应的力矩ΔM(P)_equ＝X_PΔP_equ。

按上述方案，步骤S4中包括如下具体内容：

基于理想气体方程公式对干湿转换舱气压变化导致舱内进水或出水所引起的剩余静载ΔP_wat和力矩ΔM(P)_wat进行模拟，具体计算方法为：

ΔM(P)_wat＝X_CΔP_wat，

其中Va为干湿转换舱气腔体积，Vc为干湿转换舱体积，ζ为实时深度，Vas、ζ_s为舱内气压和水压平衡时的气腔体积和深度。

按上述方案，步骤S5中包括如下具体内容：

将艇体压缩、密度变化引起的浮力变化，等效于剩余静载的增加或减少，即ΔP_cps与ΔP_dsy，其计算方法为：ΔP_cps＝λ(ζ-ζ₀)

f1为随深度ζ变化的递增函数，f2为随深度变化的递减函数；f1、f2具体形式随航行海域不同而不同。

本发明的有益效果是：提供一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，能够对悬停进出舱时两种驱动源(注排水、辅助推进)、多因素(载荷变化、气压变化、密度变化、艇体压缩)耦合作用下运载器垂向运动进行模拟仿真，为运动仿真及控制系统设计提供数字仿真手段。

附图说明

图1为本发明一个实施例的单个辅助推进模型。

图2为本发明一个实施例的单个辅推转速变化曲线。

图3为本发明一个实施例的单个辅推力变化曲线。

图4为本发明一个实施例的注排水模型。

图5为本发明一个实施例的排水动态特性模型。

图6为本发明一个实施例的排水流速变化过程曲线。

图7为本发明一个实施例的排水流速S的动态特性图。

图8为本发明一个实施例的剩余静载代码示意图。

图9为本发明一个实施例的水下干式运载器垂向运动仿真模型图。

图10为本发明一个实施例的载荷变化曲线图。

图11为本发明一个实施例的深度变化曲线图。

图12为本发明一个实施例的因气压变化导致的静载变化图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明提供一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其技术要点如下：

(1)用四个状态量描述水下干式运载器的垂向运动：垂速w、纵倾角速度q、深度ζ，纵倾角θ，通过分析受力特性得到水下干式运载器的垂向运动微分方程如下：

其中

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速分别产生的垂向力，Z(T)为辅助推进产生的垂向力；Z(P)为剩余静载项，P包含了初始项P₀、注排水增项ΔP_equ、艇体压缩增项ΔP_cps、密度增项ΔP_dsy，气压平衡导致的干湿转换舱水量增项ΔP_wat、运输载荷增项ΔP_load；

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速产生的纵倾力矩；M(T)为辅助推进产生的纵倾力矩；M(L)为前后调水所产生的纵倾力矩；M(P)为剩余静载产生的纵倾力矩；M(θ)为扶正力矩。

对辅推的动态特性进行了建模。Z(T)由若干辅推构成，

θ_i为各辅推产生力的方向与机体系Z轴的夹角。M(T)为各辅推产生的力矩和。各Ti动态特性如下：

n_i为辅推i的实时转速，N_imax为辅推i的最大转速，N_ia为其转速的加速度值，k为比例系数。

垂向运动模拟方法包含了排水动态过程对垂向运动的影响。注排水产生的剩余静载ΔP_equ为Z(P)的一部分，其为流速S随时间的积分(注水时S为正，排水时S为负)，ΔP_equ＝∫S，对应的力矩ΔM(P)_equ＝X_PΔP_equ。

本发明不考虑注水过程的流速变化，仅对排水流速S的动态特性描述如图7所示，S_max为最大排水流速，Δt₁为阀门开启、流速开始建立至达到最大流速的时间，Δt₂为阀门关闭、流速从最大减至为零的时间。

(2)基于理想气体方程公式对干湿转换舱气压变化导致舱内进水或出水所引起的剩余静载ΔP_wat和力矩ΔM(P)_wat进行模拟。具体计算方法为：

ΔM(P)_wat＝X_CΔP_wat

Va为干湿转换舱气腔体积，Vc为干湿转换舱体积，ζ为实时深度，Vas、ζ_s为舱内气压和水压平衡时的气腔体积和深度。

(3)在垂向运动模拟中引入包含艇体压缩、密度变化在内环境影响因素。本发明将艇体压缩、密度变化引起的浮力变化，等效于剩余静载的增加或减少，即ΔP_cps与ΔP_dsy，其计算方法为：

ΔP_cps＝λ(ζ-ζ₀) (4)

f₁为随深度ζ变化的递增函数，f₂为随深度变化的递减函数。f₁、f₂具体形式随航行海域不同而不同。

实施例一

STEP1、对辅助推进进行建模。

本实施例辅推参数为：

采用8个相同的辅助推进装置，艏艉各四，推力方向均呈45度(θ_i＝1～8＝45°)；如图X所示，定义推力沿外径方向为正方向；单个辅推最大转速为3000r/min，转速加速度Na＝200rpm/s，比例系数k＝2.5×10-8，艏部辅推的纵向坐标X_T1＝5.2m，艉部辅推的纵向坐标X_T2＝-6.0m。

计算得：

辅推动态特性模型为：

建立辅助推进模型，单个辅推如图1所示，由模块一1描述转速动态特性，模块二2描述推力与转速的映射关系。图2、图3为单个辅推初始为零，以2000rpm为目标时的的转速变化及推力的仿真曲线。

STEP2、对注排水进行建模。

本实施例注排水参数为：

注排水最高流速Smax＝10L/s，排水流速建立时间Δt₁＝5s，排水流速回零时间Δt₂＝6s。

建立注排水模型如图4所示。模块三3为注水模块，模块四4则描述排水动态特性，两者取和则为注排水引起的剩余静载增量5。模块四的内部组成如图5所示。模块A为限速模块，在本实施例中取值为10，模块B为排水流速的加(减)速值，在本实施例中取值为10/5。图6为单次排水(一次启闭)动态变化仿真曲线。

STEP3、对干湿转换舱因气压变化导致的剩余静载进行建模。

本实施例Vc＝6.0m3，Vas0＝0.3MPa，Hs0＝30m，在x轴上转换舱进水口距离重心位置为Xc＝3m。

根据公式(3)编写剩余静载代码如图8所示。

STEP4、对艇体压缩、密度变化引起的等效静载变化进行建模。

本实施例中艇体压缩系数取为：λ＝0.029*9.8kN/m，由艇体压缩引起的等效静载ΔP_cps＝0.029×9.8(ζ-ζ₀)。函数f₁、f₂取为：

f_1，2(ζ,ζ₀)＝-V(ρ_1,2(ζ)-ρ_1,2(ζ₀))

其中

ρ₂(ζ)＝1.026-0.00001ζ

本实施例中由艇体压缩及密度变化不引起力矩变化。

STEP5、搭建水下干式运载器垂向运动完整方程。

本实施例中初始剩余静载P0＝0，浮力调整水舱距离重心的X向距离Xp＝0m，干湿转换舱的载荷进出口距离重心的X向距离Xc＝3.0m，剩余力矩Q＝0，艏艉平衡水舱间的距离L＝4.8m，密度为正梯度，排水量30t，Iy＝360t m2。结合STEP1～STEP4中的各模型，得到水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模型如下：

根据以上模型搭建立运动仿真模型，如图9所示。

按照图10所示进行载荷释放，在控制器的控制下，仿真步长0.1s，仿真时间3000s，本实施例中的水下干式运载器的深度变化曲线、因气压变化导致的剩余静载变化曲线如图11、图12所示。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)通过分析受力特性对自由垂向运动及注排水驱动下的垂向运动进行模拟；

S2)建立辅助推进模型；

S3)建立注排水模型；

S4)对干湿转换舱因气压变化导致的剩余静载进行建模；

S5)对艇体压缩、密度变化引起的等效静载变化进行建模；

S6)结合S2～S5中的各模型，搭建水下干式运载器垂向运动仿真模型。

2.根据权利要求1所述的一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，步骤S1中包括如下具体内容：

用四个状态量描述水下干式运载器的垂向运动：垂速w、纵倾角速度q、深度ζ，纵倾角θ，通过分析受力特性得到水下干式运载器的垂向运动微分方程如下：

其中

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速分别产生的垂向力，Z(T)为辅助推进产生的垂向力；Z(P)为剩余静载项，P包含了初始项P₀、注排水增项ΔP_equ、艇体压缩增项ΔP_cps、密度增项ΔP_dsy，气压平衡导致的干湿转换舱水量增项ΔP_wat、运输载荷增项ΔP_load；

为俯仰角加速度、俯仰角速度及垂速产生的纵倾力矩；M(T)为辅助推进产生的纵倾力矩；M(L)为前后调水所产生的纵倾力矩；M(P)为剩余静载产生的纵倾力矩；M(θ)为扶正力矩。

3.根据权利要求2所述的一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，步骤S2中包括如下具体内容：

辅助推进产生的垂向力Z(T)由若干辅推构成，

θ_i为各辅推产生力的方向与机体系Z轴的夹角；M(T)为各辅推产生的力矩和；各Ti动态特性如下：

其中n_i为辅推i的实时转速，N_imax为辅推i的最大转速，N_ia为其转速的加速度值，k为比例系数。

4.根据权利要求3所述的一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，步骤S3中包括如下具体内容：

注排水产生的剩余静载ΔP_equ为剩余静载项Z(P)的一部分，其为流速S随时间的积分为ΔP_equ＝∫S，注水时S为正，排水时S为负，对应的力矩ΔM(P)_equ＝X_PΔP_equ。

5.根据权利要求4所述的一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，步骤S4中包括如下具体内容：

基于理想气体方程公式对干湿转换舱气压变化导致舱内进水或出水所引起的剩余静载ΔP_wat和力矩ΔM(P)_wat进行模拟，具体计算方法为：

ΔM(P)_wat＝X_CΔP_wat，

其中Va为干湿转换舱气腔体积，Vc为干湿转换舱体积，ζ为实时深度，Vas、ζ_s为舱内气压和水压平衡时的气腔体积和深度。

6.根据权利要求5所述的一种水下干式运载器载荷悬停进出舱下的垂向运动模拟方法，其特征在于，步骤S5中包括如下具体内容：

将艇体压缩、密度变化引起的浮力变化，等效于剩余静载的增加或减少，即ΔP_cps与ΔP_dsy，其计算方法为：ΔP_cps＝λ(ζ-ζ₀)

f1为随深度ζ变化的递增函数，f2为随深度变化的递减函数；f1、f2具体形式随航行海域不同而不同。

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