负浮力大载荷水下潜器实现机理与动力学特性研究

As the underwater moving observation platform, the existing unmanned underwater vehicles, whose buoyancy are almost neutral , have been gradually unable to meet the increasingly diverse needs of the task. The program of using lift force to conteract the negative buoyancy is a solution for underwater vehicle to realize heavy load. In this paper, a novel unmanned underwater gyroplane is presented. The research will be carried out from the following aspects: hydrodynamic characteristics of the rotor, hydrodynamic layout and dynamical behaviors. Finally, a test platform will be developed, and water tank experiments will be held to testify the theoretical results. This thesis devotes to make theoretical preparation for the future development and engineering application of negative buoyancy underwater vehicle.

作为水下移动观测平台，当前已有的基于中性浮力原理的水下无人潜器的载荷能力已渐渐不能满足日益多样化的任务需求。研制新型负浮力大载荷水下潜器，利用水动力来平衡负浮力，是解决这一问题的有效方法。为此，本课题提出自旋翼水下无人机原理，并从以下方面对其实现机理和动力学行为特性开展理论研究：旋翼流体动力特性、水动力布局及动力学行为特性研究。然后研制旋翼水下无人机原理测试平台，通过水池实验验证前面理论研究成果。本课题的研究成果将为未来负浮力水下无人机的开发和工程化应用作好理论准备。

随着海洋开发利用的不断深入，海洋调查和海洋工程任务日趋复杂，对水下作业工具的要求也越来越高，传统水下航行器渐渐不能满足多样化的任务需求，因此必须研制适应能力强的新型水下航行器。负浮力水下航行器可以在一定的负浮力状态下稳定航行，不需要严格配平，传感器可以灵活搭载，为设计、集成和使用带来极大方便，而且体积、重量明显减小。.参照空中旋翼机的原理，我们提出了一种带大尺度旋翼的新型负浮力水下航行器。主要工作内容包括以下几个方面：(1)研究负浮力水下航行器国内外研究现状、旋翼机的研究现状及旋翼分析方法。(2)加工制造了旋翼缩比模型，旋翼运动特性试验研究。(3)旋翼模型理论计算与CFD仿真，并对CFD方法的正确性进行了验证。(4)负浮力自转旋翼水下航行器动力学建模与仿真。(5)采用ANSYS-Workbench对自转旋翼进行了流固耦合研究。(6)负浮力自转旋翼水下航行器纵垂面操稳特性研究。.我们从理论动力学模型、数值模拟和实验三方面验证了负浮力自转旋翼水下航行器的可行性。(1)数值模拟和水洞实验都表明旋翼在水流作用下可以稳定旋转，并且可以产生足够大的拉力平衡负浮力。(2)负浮力自转旋翼水下航行器在纵垂面内可以实现稳定下潜、定深巡航、稳定爬升，而且整个动态过程是渐进稳定的，存在微小超调量，通过运动控制系统的校正后，能达到真正的渐进稳定。(3)典型工况下不同材料的旋翼的流固耦合仿真结果表明：随着材料刚度的减小，旋翼的最大形变量不断增大，最大形变发生在桨尖部位；最大等效应力发生在桨根部位，等效应力跟材料刚度没有明显关系。由于自转旋翼的稳定转速就较低，包括铝合金在内的大多数一般金属材料都能满足旋翼挥舞变形要求。(4)通过小扰动理论及拉氏变换求解传递函数等方法证明了所设计的自转旋翼水下航行器具有较好的纵向运动稳定性和操纵性。