新型水下航行器設(shè)計理論與方法

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 新型水下航行器設(shè)計理論與方法的研究意義 1
1.2 自主式水下航行器的發(fā)展現(xiàn)狀概述 3
1.2.1 美國自主式水下航行器的研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 其他國家自主式水下航行器的研究現(xiàn)狀 6
1.2.3 我國自主式水下航行器的研究現(xiàn)狀 9
1.3 自主式水下航行器關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 12
1.3.1 推力矢量技術(shù)的研究概述 12
1.3.2 螺旋槳設(shè)計技術(shù)研究概述 13
1.3.3 航行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)研究概述 14
1.3.4 航行控制技術(shù)研究概述 16
1.3.5 航行器繞流場特性研究概述 17
1.4 本書主要研究內(nèi)容 18
第2章 多運(yùn)動態(tài)新型水下航行器的總體設(shè)計 21
2.1 新型水下航行器設(shè)計目標(biāo)與功能要求 21
2.2 新型水下航行器重心與浮心設(shè)計 24
2.2.1 活塞式升沉系統(tǒng)設(shè)計與工作原理 24
2.2.2 活塞式升沉系統(tǒng)動力學(xué)分析 25
2.3 矢量推進(jìn)裝置設(shè)計 27
2.3.1 基于球齒輪的矢量推進(jìn)器設(shè)計 27
2.3.2 基于球齒輪的矢量推進(jìn)器運(yùn)動學(xué)分析 29
2.3.3 基于錐齒輪的矢量推進(jìn)器設(shè)計 33
2.3.4 基于錐齒輪的矢量推進(jìn)器運(yùn)動學(xué)分析 35
2.3.5 矢量推進(jìn)器的試驗研究 39
2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局與單元模塊劃分 42
2.4.1 測量與通信模塊設(shè)計 42
2.4.2 操縱模塊設(shè)計 43
2.4.3 控制系統(tǒng)布局與設(shè)計 44
2.5 本章小結(jié) 46
第3章 新型輪式螺旋槳參數(shù)化設(shè)計與力學(xué)性能 47
3.1 復(fù)雜曲面螺旋槳實體模型參數(shù)化設(shè)計 47
3.1.1 螺旋槳曲面型值的計算 48
3.1.2 基于Solidworks的螺旋槳實體造型流程 51
3.2 螺旋槳敞水性能數(shù)值分析方法與驗證 53
3.2.1 螺旋槳黏性流場數(shù)學(xué)建模 53
3.2.2 螺旋槳敞水性能數(shù)值計算方法 59
3.2.3 螺旋槳敞水性能計算結(jié)果驗證與流場特性分析 65
3.3 新型輪式螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計與敞水性能計算 70
3.3.1 新型輪式螺旋槳設(shè)計方案研究 70
3.3.2 新型輪式螺旋槳敞水性能計算與分析 73
3.4 基于有限元法的新型輪式螺旋槳強(qiáng)度特性分析 76
3.4.1 新型輪式螺旋槳非線性屈曲分析 77
3.4.2 新型輪式螺旋槳模態(tài)分析 78
3.5 本章小結(jié) 80
第4章 復(fù)雜海況下新型水下航行器非線性動力學(xué)特性 81
4.1 新型水下航行器六自由度非線性運(yùn)動學(xué)模型研究 81
4.1.1 坐標(biāo)系定義與運(yùn)動變量 81
4.1.2 歐拉角法運(yùn)動學(xué)建模 83
4.1.3 四元數(shù)法運(yùn)動學(xué)建模 85
4.2 復(fù)雜海況下新型水下航行器非線性動力學(xué)模型研究 88
4.2.1 新型水下航行器的受力分析 88
4.2.2 基于牛頓第二定律的矢量方程推導(dǎo) 90
4.2.3 基于拉格朗日方法的矢量方程推導(dǎo) 94
4.3 海流和波浪擾動作用的數(shù)學(xué)模型研究 95
4.3.1 隨機(jī)波浪與海流理論 95
4.3.2 新型水下航行器低頻運(yùn)動數(shù)學(xué)模型 98
4.3.3 新型水下航行器高頻運(yùn)動數(shù)學(xué)模型 99
4.4 復(fù)雜海況下新型水下航行器的位姿計算與分析 99
4.4.1 無環(huán)境干擾下航行器空間運(yùn)動性能分析 99
4.4.2 環(huán)境干擾下航行器近水面空間運(yùn)動特性分析 104
4.5 本章小結(jié) 106
第5章 復(fù)雜海況下新型水下航行器軌跡跟蹤控制技術(shù) 107
5.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及其應(yīng)用 107
5.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理 107
5.1.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的特性分析 109
5.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制在水下航行器中的應(yīng)用 114
5.2 新型水下航行器非線性系統(tǒng)滑模控制器設(shè)計及性能分析 115
5.2.1 新型水下航行器非線性系統(tǒng)滑?？刂破魉惴ㄑ芯?116
5.2.2 動態(tài)邊界層調(diào)整算法研究 121
5.2.3 滑?？刂破髟O(shè)計方法驗證與性能分析 121
5.3 新型水下航行器非線性軌跡跟蹤控制算法研究 127
5.3.1 水平面軌跡跟蹤控制算法研究 128
5.3.2 縱平面軌跡跟蹤控制算法研究 131
5.4 新型水下航行器非線性軌跡跟蹤控制計算與分析 133
5.4.1 水平面軌跡跟蹤控制計算與分析 133
5.4.2 縱平面軌跡跟蹤控制計算與分析 136
5.5 本章小結(jié) 139
第6章 復(fù)雜海況下新型水下航行器黏性流場數(shù)值計算方法 141
6.1 無環(huán)境干擾下帶槳航行器非定常黏性流場數(shù)值計算與分析 141
6.1.1 帶槳航行器非定常黏性流場數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算方法 142
6.1.2 航行器艇體水動力性能數(shù)值計算與分析 147
6.1.3 螺旋槳/艇體整體水動力性能數(shù)值計算與分析 148
6.2 新型水下航行器高速迎浪運(yùn)動特性理論計算 152
6.2.1 微幅波數(shù)學(xué)模型及其特征 152
6.2.2 基于切片理論的航行器垂蕩與縱搖理論計算 155
6.2.3 考慮動升力影響的航行器高速迎浪運(yùn)動數(shù)學(xué)模型 158
6.3 新型水下航行器高速迎浪運(yùn)動時繞流場數(shù)值計算 161
6.3.1 計及自由面興波的航行器繞流場數(shù)學(xué)模型 162
6.3.2 計算域網(wǎng)格劃分與數(shù)值計算方法 164
6.3.3 計算域數(shù)值造波方法 166
6.3.4 航行器繞流場數(shù)值計算與分析 168
6.4 本章小結(jié) 172
參考文獻(xiàn) 174
附錄A 182
附錄B 183