具有软体柔性翼的自适应水下滑翔机动力学设计方法研究

As a novel autonomous underwater vehicle, underwater glider is important for social development and national defense. The increasingly diverse marine tasks and complicated ocean environment are pressing for underwater gliders having wide velocity domain and good maneuverability. However, the existing underwater gliders with rigid shape cannot meet the demand. In the project, an adaptive underwater glider with soft flexible wings is proposed. The soft flexible wings can change its shape adaptively according to the different motion modes of underwater glider. Based on the bionics principle，The conceptual design for the soft flexible wings is developed and the mechanism design of the soft flexible wings will be studied based on the integration of material, structure and movement control. Aiming at good dynamic performance, the layout of the underwater glider, the mechanism and deformation control of the soft flexible wings will be optimized through design of experiment and the genetic optimization algorithm. Based on the multi-body dynamics, rigid-flexible coupling dynamics and uncertainty analysis method, the rigid-flexible-soft coupling dynamic model of the underwater glider will also be built by considering the impact of uncertain marine parameters and uncertain structural parameters of the glider. Then, methods for solving the uncertainty-based dynamic model will be investigated. Finally, field trials of the underwater glider with soft flexible wings will be carried out to evaluate the proposed model and method. The current research will enrich the theory of mechanical system dynamics, and it also provides a theoretical guidance for the dynamic design of underwater vehicles.

水下滑翔机作为新型自治水下航行器，对于社会发展及海洋国防具有重要意义。日益多样化的海洋任务及复杂多变的海洋环境迫切要求水下滑翔机速度域宽、机动性好，已有的具有刚性外形的水下滑翔机无法满足这一需求。为此，项目提出具有软体柔性翼的自适应水下滑翔机，利用软体柔性翼强大的自适应变形能力，改变水动外形以匹配水下滑翔机不同运动模式的需求。基于仿生学原理，开展软体柔性翼概念设计及变形机理研究；在此基础上，以软体柔性翼水下滑翔机水动外形自适应匹配不同航行模式为设计准则，建立软体柔性翼水下滑翔机动力学性能优化模型；基于多体动力学理论、刚–柔耦合动力学理论、不确定性分析方法，建立考虑刚性主体、软体柔性翼以及不确定海洋环境参数影响的水下滑翔机刚–柔–软耦合动力学模型；并通过水域试验，以验证项目所建动力学模型及设计方法的正确性。研究成果对于丰富运动系统动力学设计理论、指导水下航行器动力学设计具有重要的科学意义。

基于水下滑翔机运动原理，分析了水下滑翔机运动过程中的受力特点，重点从水动力、驱动浮力两个方面开展了水下滑翔机动力学设计。. 水动力方面，分析了不同翼型及机翼后缘弯折角对水下滑翔机动力学性能的影响机理及规律，基于鱼雷动力学理论，推导了可变翼水下滑翔机动力学性能评价指标。为验证分析结果及理论模型，提出并设计了一款仿蝠鲼胸鳍柔性机翼及一款柔性变后缘机翼水下滑翔机，通过水池试验验证了推导模型及分析结果的正确性。为提升柔性翼水下滑翔机动力学性能预测精度，研究了海水深度对海水密度及水下滑翔机耐压壳体变形的影响规律，基于牛顿-欧拉方法，建立了融合海水密度和壳体压缩变形影响的柔性翼水下滑翔机精细动力学模型，并基于计算流体动力学及流-固耦合仿真，分析了影响滑翔机水动力的因素及其影响机制，获得了不同水动外形结构参数对水下滑翔机阻力系数的影响规律，建立了水动外形结构参数与滑翔机阻力系数之间的数学模型。. 驱动浮力方面，为实现水下滑翔机中性浮力运动，受鲨鱼等深海软骨鱼类浮力调节机制启发，提出了一种具有近中性浮力的刚-柔-软复合壳体结构水下机。为提升其动力学性能预测精度，揭示不确定性因素（如海水密度、滑翔机重浮心距离等）对其动力学性能影响规律，基于不确定性分析方法，建立了水下滑翔机不确定性动力学模型；采用蒙特卡罗仿真和切比雪夫多项式区间算法，研究了水下滑翔机不确定性动稳定性和机动性随海水深度的变化规律，并通过海试验证了建立的水下滑翔机不确定性动力学模型及动力学性能分析方法的准确性。. 项目研究成果已应用于实验室研制的“海燕”系列水下滑翔机，发表学术论文10篇，其中SCI/EI检索9篇；除此之外，已录用EI检索期刊论文1篇。申请国家发明专利3项，授权1项，申请并授权实用新型专利2项。研究成果获2020年度天津市年度科技进步一等奖。项目研究丰富了水下航行器动力学理论，为新型高性能、良好环境适应性水下滑翔的研制提供了理论支撑。