规则波激励下深潜器-缆索系统非光滑边界碰撞行为研究

以海洋工程和非线性动力学的交叉学科领域为突破点，从海洋工程和重大深海装备业的工程需求出发，从深潜器系统这样一个刚-柔-液相互耦合的复杂多体系统中提炼出了规则波激励下深潜器-缆索系统非光滑边界碰撞行为这一新的研究课题。通过建立适用于具有局部低张力和零张力区的深潜器-缆索系统动力学方程和求解方法，对深潜器-缆索系统张弛交替工况下由刚度非连续变化引起的边界碰撞行为进行全局动力学分析，探索其出现非光滑边界碰撞行为的参数空间、复杂分岔行为及通向混沌的途径，并深入分析非光滑边界碰撞行为对系统安全性的影响。课题拓宽了非光滑动力系统理论在海洋工程中的研究领域，推动了非光滑动力系统理论在重大工程中应用研究的发展，同时在海洋工程这一特定学科领域开展相关研究，有助于深入了解非光滑动力学机理和共性问题，揭示新的非光滑现象，从而推动非光滑动力系统新理论和方法的发展。

本课题从理论建模、数值仿真和实验研究角度对在波浪激励下的深海潜水器-缆索系统耦合动力学行为进行了研究。. 首先，在深海遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）缆索系统理论研究方面，基于欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beam)理论推导出了缆索的二维动力学方程,将弯曲刚度考虑在内，从而使其不但能够分析传统意义上的大张力缆索动力学问题,也能分析低张力情况下缆索动力学问题。考虑到ROV缆索系统在水下运动的复杂受力形态,这样的处理使其更接近于工程实际。对所建立的强耦合的、非线性的缆索运动方程,采用具有二阶精度的、无条件稳定的隐式中心差分法对其进行数值离散,对离散后的非线性的代数方程组利用具有二次收敛速度的Newton-Raphson迭代法进行求解，并进一步分析了中心差分数值计算方法的稳定性。在水下缆索的形态和动力学计算中可以同时得到包括缆索的暂态形态、受力和最终稳态形态的变化规律。由于计算程序的通用性和灵活性，可以广泛应用于各类水下潜器系统、多级拖体系统的动力学计算。例如：拖曳阵列声纳系统(TASS)的响应问题、更为一般的自由拖缆动力学问题、缆索与水下机器人系统的耦合动力学问题。. 其次，在ROV-缆索系统耦合动力学理论研究中，考虑到越来越多的深海遥控操作潜水器系统配备了升沉补偿系统，本研究中建立了带升沉补偿功能的深潜器-缆索系统动力学模型，并编写了带升沉补偿功能的深潜器-缆索系统动力学行为计算程序，并全面分析了海况参数、缆索长度、ROV本体质量、升沉补偿器气液弹簧特性对深潜器-缆索系统动力学行为的影响，特别是分析了由于缆索系统非连续刚度变化产生的非光滑边界碰撞条件和非线性动力学行为，并进一步推导出了深海ROV系统固有频率的近似解析计算公式。. 最后，在ROV-缆索系统动力学实验研究中，开展了带升沉补偿功能的深潜器-缆索系统动力学行为实验研究，得到了第一手的实验数据，相关工作对于丰富人们对深水ROV系统力学行为认识、设计合理的升沉补偿系统具有重要的参考意义。