穿戴式潜水推进系统的潜水运动建模及推进器位置优化

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近几年来,作为人类尚未广泛开发的领域和军事战略必争之地,资源储量极其丰富的海洋逐渐成为了国际上激烈竞争的焦点。而潜水推进器作为各种水下特种作业的辅助潜水设备受到了很大的重视,但由于传统潜水推进设备功能单一、结构复杂和灵活性差,使得潜水效率低下、使用不方便,因此,对新型的多功能辅助潜水推进装备进行研究是很有必要的。鉴于此,本文提出了一种新型潜水推进装备,建立了六自由度潜水运动模型,并对其进行了水动力性能分析、运动仿真及其推进器位置优化。首先,将现有潜水装备和推进器相结合,提出一种新型的蛙人潜水推进装备,描述了其结构组成和工作原理,对蛙人在水下运动时的水动力进行了分析,针对其复杂的潜水过程,在不考虑因人体自身运动对潜水效果的影响下将人体结构作为刚体,并运用动量定理建立了蛙人水下六自由度运动模型。其次,对该运动模型中的6个粘性水动力系数和17个惯性水动力系数进行了FLUENT数值仿真模拟水下拖拽实验,通过对椭球附加质量的仿真来验证仿真过程的正确性,最终完善了该模型中的未知参数,完成六自由度运动模型的建立。然后,通过对运动模型的变形建立Simulink运动仿真模型,对蛙人水下六自由度运动模型进行了运动仿真,通过速度随时间的变化曲线和运动轨迹图等证明所建立模型的正确性。最后,以潜水推进装置所受到的最小合外力为约束目标,以推进器所能达到的合理安装位置为约束条件建立推进器位置优化模型,得到推进器最优的位置点集,继而得到优化前后的速度曲线和运动轨迹图,其结果表明,优化后的推进器位置能有效减小其垂向速度,提高潜水效率,减少了潜水人员的体力消耗并提高了潜水运动的稳定性。通过本文的研究,为蛙人潜水推进装备的进一步的设计与优化提供了参考,为其控制系统的设计提供了依据。
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