趙國良, 許 可, 趙春城, 范華濤, 姚晨佼

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導(dǎo)向喇叭口剖面半徑對AUV回收的影響

趙國良, 許 可, 趙春城, 范華濤, 姚晨佼

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082)

為了對形狀尺寸受限的自主式水下航行器(AUV)回收裝置導(dǎo)向喇叭口進行合理設(shè)計, 分析了彈簧模型和彈簧-阻尼模型2種接觸力模型對計算的影響, 研究了喇叭口剖面半徑和初始偏移量對回收接觸力和回收時間的影響規(guī)律, 提出了喇叭口的設(shè)計評價方法。在六自由度運動一般表達式的基礎(chǔ)上結(jié)合接觸力模型, 建立回收過程中的AUV運動方程, 設(shè)計適用于接觸力的時間離散求解程序, 在MATLAB環(huán)境下對AUV回收過程進行計算。結(jié)果表明, 阻尼在接觸模型中的作用有利于回收的順利進行; 增加喇叭口剖面半徑對減小接觸力和回收時間均具有積極影響; 綜合評價系數(shù)可用于綜合考量設(shè)計指標以確定喇叭口剖面半徑。

自主式水下航行器(AUV); 回收裝置; 導(dǎo)向喇叭口; 接觸力模型

0 引言

隨著對海洋的探索和開發(fā)逐漸深入, 人們開始在載人潛水器上布放回收自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV), 移動式水下搭載與對接裝置保障了AUV在載人潛水器上的搭載、布放與回收, 極大程度地擴展了載人潛水器的水下作業(yè)能力, 并為AUV隱蔽任務(wù)開展的保障提供了可能性。

目前, AUV搭載與對接裝置的形式主要有罩籠式、著陸式、捕獲式、機械臂式[1-5]和遙控航行器(remotely operated vehicle, ROV)捕捉式。其中罩籠式應(yīng)用最為廣泛, 其容易改裝, 可應(yīng)用于載人潛水器對AUV的背負式搭載。搭載與對接裝置對母艇的阻力、操縱性能等方面的影響不可忽略, 設(shè)計中要求在滿足其他技術(shù)指標的前提下應(yīng)具有最小的外形尺寸。喇叭口作為外形突出的部分, 應(yīng)作為重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。尺寸較大的喇叭口可在一定程度上降低碰撞載荷, 并且可降低導(dǎo)引精度要求, 但有可能給載體性能帶來不可承受的負擔, 而過小的喇叭口尺寸雖然對載體的影響較小, 但是導(dǎo)向過程中的載荷過大可能會對AUV造成損傷。為了在設(shè)計中找到合適的喇叭口外形尺寸, 有必要對回收過程進行分析。碰撞分析和形狀因素對回收指標的影響分析為首要關(guān)注問題。

針對AUV回收過程中碰撞分析問題, 國外尚無公開的文獻報道。在國內(nèi), 史劍光等[6]利用ADAMS軟件對圓錐形喇叭口與AUV碰撞過程進行分析, 張醫(yī)博等[7]對便攜式AUV水下對接過程中的碰撞進行分析。兩者的研究中均涉及到喇叭口形狀特征對碰撞力和回收時間的影響分析, 但研究對象均為圓錐形的喇叭口, 不適合對于外形尺寸限制較為苛刻的移動式搭載方式。文中以圓弧剖面形式的喇叭口為研究對象, 建立回收過程AUV的運動方程和接觸碰撞模型, 設(shè)計了有效的求解方法; 通過計算得到初始偏移量和剖面圓弧半徑對最大接觸力和回收時間的影響規(guī)律, 為載人潛水器上搭載與對接裝置喇叭口設(shè)計提供參考; 并提出綜合評價系數(shù), 為設(shè)計結(jié)果的性能綜合評價提供參考。

1 AUV運動坐標系及標識

2 AUV運動方程與接觸力模型

2.1 AUV運動方程的建立

水下運動六自由度運動方程的一般表達式結(jié)合接觸力, 得出AUV回收過程的運動方程為縱向力

橫向力

垂向力

橫滾力矩

縱搖力矩

偏航力矩

2.2 接觸力模型的建立

接觸力一般為AUV回收過程中特有的力, 由回收過程中AUV與導(dǎo)向機構(gòu)碰撞接觸所產(chǎn)生, 其性質(zhì)為彈力(作用效果為碰撞力)和摩擦力, 具有作用時間短、變化梯度大、瞬時峰值高和作用位置不確定的特點。

2.2.1 碰撞力

AUV與導(dǎo)向機構(gòu)的碰撞可以看作是船舶碰撞問題的一個分支。力學(xué)機理分為外部機理和內(nèi)部機理。外部機理主要描述剛體運動以及耗散于結(jié)構(gòu)損傷變形的碰撞能量, 是文章關(guān)注的重點。

彈簧阻尼模型作為一種廣泛應(yīng)用的碰撞力模型, 假定變形發(fā)生在接觸區(qū)的鄰域, 認為接觸力是一種特殊的力, 將碰撞過程中碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)的動力學(xué)問題, 將接觸力等效成一個彈簧力和阻尼力模型。彈簧阻尼模型的廣義Hertz公式[10-12]具有如下形式

阻尼系數(shù)采用STEP函數(shù)表示, 表達式為

2.2.2 摩擦力

AUV與導(dǎo)向機構(gòu)的相對運動不同于一般的正碰, 除碰撞以外的另一典型運動為兩者之間的相對滑動, 根據(jù)Mohr-Coulomb摩擦定律[11], 得

2.2.3 接觸力方向

3 求解方法

4 求解分析

4.1 計算模型描述

通過上述運動及受力分析在MATLAB環(huán)境下對AUV的導(dǎo)向過程進行求解分析, 所采用的模型形式如圖6所示。

采用文獻[9]中的AUV模型, 動系固定于AUV其原點位于AUV的幾何中心, 為計算方便將AUV艏部近似為半球型?；厥諏?dǎo)向機構(gòu)固定于定系, 為全對稱回轉(zhuǎn)形式, 前端喇叭口縱剖面為圓弧形狀, 與后端圓管剖面相切。定義喇叭口與圓管連接處中心點為定系原點。

4.2 彈簧模型與彈簧-阻尼模型對比分析

阻尼模型反應(yīng)碰撞期間的能量耗散, 與碰撞物體之間材料、結(jié)構(gòu)形式相關(guān), 研究阻尼模型作用對回收機構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)性意義。

以喇叭口剖面圓弧半徑=750 mm(偏移150 mm)回收為例, 2種模型下的AUV艏部運動軌跡以及回收過程AUV位置姿態(tài)情況分別如圖8和圖9所示, 速度變化曲線如圖10所示。

由以上結(jié)果可以得到, 該算法下AUV在導(dǎo)向機構(gòu)彈性接觸力作用下其能量轉(zhuǎn)換流程為動能—彈性勢能—動能。假設(shè)碰撞作用時間很短(即忽略碰撞過程中水動力和推力的影響), 由于沒有阻尼對碰撞能量的耗散, AUV在接觸位置處的法向動能分量在很短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)艏動能以及橫移動能, 使AUV獲得較高的轉(zhuǎn)艏及橫向速度, 這種相互作用形式在后續(xù)接觸位置重復(fù)出現(xiàn), 出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象。隨偏移量的增加, 接觸角逐漸增大, 首次接觸造成的轉(zhuǎn)艏及橫移速度隨之增大, 當達到一定程度時(如上述結(jié)果中在=500 mm, 偏移量250 mm以及=750 mm, 偏移量300 mm)AUV被彈出回收機構(gòu), 無法進行回收。

表1 模型及運動參數(shù)

表2 力學(xué)模型參數(shù)

由于阻尼的存在, AUV碰撞位置處法向動能分量的一部分將會在碰撞接觸過程中耗散掉, 相比無阻尼計算模型, 接觸分離之后所具有的轉(zhuǎn)艏及橫向速度值均較小, 造成的結(jié)果是后續(xù)碰撞的接觸角、接觸位置法向動能分量均較小, 經(jīng)過少數(shù)幾次碰撞接觸之后, 艏向速度及橫向速度均達到較低值, 可相對平滑的進入導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)部。相比無阻尼條件的計算結(jié)果, 阻尼作用可實現(xiàn)存在更大偏移情況下回收。

4.3 喇叭口剖面半徑

喇叭口的設(shè)計受多方面因素制約, 從回收成功率角度, 越大的開口可提供越大范圍的導(dǎo)向, 有利于提高回收成功率, 但是從載人潛水器總體性能方面來講, 更大的喇叭口會增加更多的航行阻力以及更多的布置空間, 對水下移動式搭載平臺造成不必要的負擔。另外AUV自身的操控性能、回收環(huán)境等因素共同作用的統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)以及艏部形狀及形式、抗沖擊性能等同樣為喇叭口設(shè)計中必須考慮的因素。

喇叭口與AUV的碰撞受力情況分析為設(shè)計中的關(guān)鍵。從上述碰撞過程中能量轉(zhuǎn)換的分析可知, 減小碰撞角度有利于減小碰撞力的大小, 如圖11所示, 雖然具有直線剖面的喇叭口在整個開口范圍內(nèi)碰撞角保持不變且始終為較小值, 但是與弧形剖面相比, 達到相同開口大小需要更大縱向長度。文中以圓弧形剖面的喇叭口為研究對象對回收過程中的導(dǎo)向情況進行分析。

以圓弧型剖面導(dǎo)向罩為對象, 分別對剖面半徑為0.5~1.5 m, AUV初始偏移量為0.1~0.45 m進行計算。

定義回收時間t為AUV艏部中心點從對接口以外1.2 m至以內(nèi)2.5 m所用的時間。將回收過程中產(chǎn)生的最大接觸力和回收時間t作為研究對象, 3 kn回收速度下,和t隨導(dǎo)向罩剖面圓弧半徑和初始中心偏移量的變化趨勢如圖12和圖13所示。

計算結(jié)果表現(xiàn)出來的趨勢為最大接觸力和回收時間t均隨著初始中心偏移量的增加而增加, 這一變化趨勢隨著導(dǎo)向罩喇叭口剖面圓弧半徑的減小變的愈發(fā)強烈。從AUV與導(dǎo)向罩接觸情況下的幾何關(guān)系圖14可以得到, 接觸點上接觸角隨著中心偏移距離的減小而減小, 同時隨著剖面圓弧半徑的減小而增加。如圖15所示, 初始碰撞接觸角度的不同所產(chǎn)生的作用效果差異表現(xiàn)在接觸點的速度分量和受力方向, 在接觸點處AUV的初始航速的法向分量sin與接觸角正相關(guān), 較大的接觸角對應(yīng)AUV在接觸法向具有較高的動能分量, 而接觸力在定系下的橫向分量cos與接觸角負相關(guān), 該分力可使AUV轉(zhuǎn)艏起到動能轉(zhuǎn)移的作用, 較大的接觸角會削弱這一作用效果使AUV法向動能更多的由接觸作用吸收, 從而產(chǎn)生較高的接觸力和較長的回收時間。

結(jié)合圖14可以發(fā)現(xiàn), 增大喇叭口剖面圓弧半徑可在整個喇叭口范圍內(nèi)降低接觸角數(shù)值水平, 因而減小接觸角對減小接觸力和接觸時間均有積極的影響。

4.4 綜合評價系數(shù)

盡管上一節(jié)的計算結(jié)果顯示增大喇叭口剖面圓弧半徑具有積極的意義, 但是從設(shè)計角度而言, 該半徑不可過大, 需根據(jù)設(shè)計的考量側(cè)重點進行綜合評價。

綜合評價系數(shù)可理解為類似評價函數(shù)[14]的一種指標。在設(shè)計模型中應(yīng)針對需要綜合考量的主要指標定義量化的評判標準, 根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果計算該評判標準的值作為評判依據(jù)。這樣的評判標準即綜合評價系數(shù)。準確的評判模型建立本身即是系統(tǒng)且復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題, 但并不作為研究的重點。下文以綜合考慮回收力、回收時間和導(dǎo)向罩軸向長度為例對綜合評價系數(shù)進行說明。

5 結(jié)束語

文中利用所建立的AUV回收過程中的運動模型, 在MATLAB環(huán)境下對AUV回收過程進行了計算, 分析了喇叭口對AUV回收的影響。分析結(jié)果表明, 接觸力模型中的阻尼作用有利于AUV的回收, 喇叭口剖面圓弧半徑的增加有利于減小最大接觸力和回收時間, 綜合評價系數(shù)可用于對設(shè)計指標的綜合考量, 以確定喇叭口剖面半徑。然而實際情況下的AUV對接回收過程要復(fù)雜的多, 后續(xù)研究涉及如下幾點: 研究碰撞作用對水動力參數(shù)的影響, 建立更準確的AUV回收運動方程; 分析回收機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式以及材料等對接觸力的影響, 以獲得更準確的接觸力模型; 探索更準確的設(shè)計評判方法, 以得到最優(yōu)設(shè)計。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Influence of Profile Radius of Guiding Cone on Recovery of AUV

ZHAO Guo-liang, XU Ke, ZHAO Chun-cheng, FAN Hua-tao, YAO Chen-jiao

(State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Abstract: To reasonably design the recovery device’s guiding cone, whose shape and size are restricted for an autonomous undersea vehicle(AUV), the influences of the “elastic” and “elastic-damping” contact force models on the calculation are analyzed, and the influence of the guiding cone’s profile radius and initial offset on the recovery contact force and the recovery time are investigated, hence an evaluation method of the design of guiding cone is put forward. The general expression ofsix-degree-of-freedom motion and the contact force model are employed to establish the AUV motion equations in the recovery process, and a time discrete solution program that adapts to the contact force is designed to calculate the AUV recovery process on the software MATLAB. The results show that: 1) the damping in the contact model is conducive to the recovery process; 2) the increasein the profile radius has positive effect on reducing both contact force and recovery time, and 3) The comprehensive evaluation coefficient can be applied to comprehensively evaluating the design specification to determine the profileradius.

autonomous undersea vehicle(AUV); recovery device; guiding cone; contact force model

趙國良(1988-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要研究方向為AUV水下搭載與對接技術(shù).

P754.3; TP242.6

A

2096-3920(2018)02-0166-08

趙國良, 許可, 趙春城, 等. 導(dǎo)向喇叭口剖面半徑對AUV回收的影響[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(2): 166-173.

2017-12-13;

2018-02-01.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.011