深海水下航行器主动精度设计与动力学行为研究

水下航行器作为复杂水下机电装备，对于海洋科学研究及国防建设具有重要作用。水下航行器动力学行为精度直接影响其自航行与任务精度，合理的精度设计是决定其设计成功与否的关键。本项目以深海水下航行器为典型对象，在现代设计理论框架下，基于水下航行器系统探测精度模型，对水下航行器进行动力学行为精度分配与优化设计，构建水下航行器主动精度设计方法。在此基础上，计及海洋环境不确定性影响，建立水下航行器多域场耦合的动力学模型及基于神经网络的动力学行为预测模型，通过系统动力学、流体力学、水声学等相关学科的交叉与融合，发展一套适合于水下航行器的流、固、声耦合动力学行为数值计算方案及基于神经网络的预测方法，真实地再现在不确定参数扰动下水下航行器动力学行为，阐明水下航行器周围流场演化规律及结构－涡－声关系，为设计具有低阻低噪、高精度、高可靠性的水下航行器提供理论依据和设计指导。研究成果可拓展应用于其它类型的海洋装备。

水下航行器作为复杂水下机电装备，是国家战略新兴产业发展的重要领域，对于海洋科学研究及国防建设具有重要作用。水下航行器动力学行为精度直接影响其自航行与任务精度，合理的精度设计是决定其设计成功与否的关键。本项目针对任务传感器探测精度需要，以水下航行器动力学行为精度设计核心，以深海水下航行器为典型对象，从理论方法、关键技术、样机水动外形结构设计与优化三个层面系统开展了研究工作。取得主要研究成果如下：.（1）针对典型任务传感器（多波束测深仪、剪切流传感器）的探测精度需求，搭建了任务传感器探测精度到水下航行器动力学行为精度之间的映射模型，提出了水下航行器主动精度设计方法，成功设计并优化了深水AUV及深海微结构剖面仪水动外形。.（2）针对深水AUV矢量推进的特点，将AUV推力视为螺旋浆转速及矢量推进器摆角的函数，运用牛顿－欧拉法建立了深水AUV的6-DOF动力学模型，采用四阶五级龙格－库塔方法对动力学模型进行了求解，在MATLABT环境下实现了深水AUV动力学行为预测，并通过湖试验证了所建模型的正确性。.（3）针对海洋环境参数不确定性，提出基于CFD的水下航行器6-DOF仿真预测方法，该方法只需建立几何模型，无需输入水动力系数，可同时获得流场特征及水下航行器的时实运动状态。利用该方法成功实现了计及不确定海流影响下深水AUV动力学行为的预测。.（4）针对水下航行器动力学行为评价指标之间的制约关系复杂及难于量化的特点，将模糊理论引入水下航行器动力学行为评价体系中，提出了水下航行器动力学行为模糊综合评价方法。该评价方法对水下航行器的动力学行为精度具有综合评判能力，避免了单凭某一项指标或某几项指标评价带来的局限性。基于AUV的航行任务要求，构建了评价AUV动力学行为的三级模糊综合评价体系，该评价体系囊括了稳定性与机动性两大方面共13项指标，为最终方案的选择制定提供了指导。 .（5）探究多域场耦合作用机制，提出并构建了基于ANSYS-FLUENT的流—固耦合数值仿真方法与平台。利用该仿真平台，通过UDF函数对FLUENT软件的二次开发，实现了深海微结构剖面仪下降过程仿真，真实再现了剖面仪的流致振动特征，揭示了剖面仪的流致振动机理，成功推导出剖面仪的流致振动经验公式，并通过海试试验验证了公式的准确性。