水下拖曳系统作为一种有效的水下探测平台,广泛应用于海洋资源勘探、地球物理学测量及军事等诸多领域,为各种海洋探索活动提供了有效的途径,拖曳系统的研究已成为现代海洋开发的重要课题之一。在拖曳系统设计应用过程中,准确预报拖曳系统的性能及运动规律是一个重要目标,日益受到人们的重视,越来越多的学者和研究人员致力干这方面的研究。由于拖曳系统是一个技术密集度高,涉及学科面广的复杂系统,尽管经历了半个多世纪的发展,目前仍有许多运动和控制问题需要解决。本文以海洋勘探拖曳系统作为研究对象,拟从设计观点出发,在前人研究成果的基础上,对海洋勘探拖曳系统进行细致而深入的研究,建立了一个比较通用完善的仿真系统,通过数值仿真来研究拖曳系统的各种稳态、动态运动;并在此基础上,对拖缆深度控制进行初步的探讨。希望能够准确地预报系统的响应和运动规律,保证拖曳系统在有各种干扰的海洋环境中稳定地运行,为拖曳系统的设计与应用提供理论依据。本文的主要工作和研究结果可以归纳为以下几个方面:本文首先全面回顾了现代拖曳系统的应用及发展,对各种拖曳系统的研究方法作了详细的介绍,指出其各自的优缺点及适用范围。在此基础上决定采用(嵌套)二分法、集中质量法来建立本文的拖曳系统稳态运动求解方法和动态运动数学模型。同时对以往关于水下拖缆流体阻力的研究结果进行了汇总,在附录中给出以供参考。拖曳系统的稳态运动问题一般可以转换为两点边值问题,如拖缆上某一位置的状态值可以通过其它方法事先得到,则稳态问题可转化为更为简单的初始值问题直接进行积分求解。对于各种不同的拖曳系统和拖曳形式,本文计入实际海洋环境中存在的空间不均匀海流的影响,提出了一种稳态运动数值求解方法:首先将拖缆的边界条件转化为一组关于初始值的隐式非线性方程(组),其中初始值可以是其自身也可以是其它变量的隐式函数,然后将传统二分法以嵌套形式扩展到二维、三维及更高维的空间,联立龙格-库塔积分等数值方法进行数值求解,并提议采用动态收敛判据,以提高计算效率。同传统的打靶法相比,本文的方法尽管在计算效率上可能有所偏低,但具有更为广泛的适用性,并可以反过来根据拖曳稳态运行要求来选定系统的各项参数,这对于拖曳系统的设计具有直接的应用价值。对于拖曳系统的动态运动,从扩展性的角度考虑,本文采用集中质量法来建立拖缆的动态运动数学模型,将拖缆在空间上离散为一系列节点,此时拖缆的偏微分运动控制方程转变为一组常微分运动方程,对其采用龙格库塔积分进行数值求解。其中较为全面地计及了水面低频波浪、弯矩、拖缆–海底接触等情况下的一系列影响;建立缆载定深控制器、水下拖体/尾拖船的运动模型,建立水下拖缆与拖体/尾拖船间的运动耦合边界条件及动力耦合边界条件;并在集中质量法的基础上实现了拖缆收放过程的运动模拟,给出了具体的求解过程。为提高计算效率并保证计算稳定,本文参考双曲型偏微分方程差分求解方法,通过数值稳定性分析给出了一个确定仿真计算时间步长的方法。