CN109190162A - 水中航行器的研制试验方法及仿真试验系统 - Google Patents

Abstract

水中航行器的研制试验方法及仿真试验系统，确定水中航行器和仿真试验系统的技术参数设定值，二者具有部分相同的技术参数；水中航行器仿真试验系统包括尾段舱段（20）、电池舱段（21）、调节舱段（14）、舵板（1）、尾段组件（3）；调节舱段（14）包括若干环形加强筋（7），与环形加强筋（7）和调节舱段壳体（8）连接的调节支架（6），粗调节圆盘（16），细调节圆盘（5）；试验过程中，通过获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值；调节理论值与设定值的差异在允许范围内；对水中航行器仿真试验系统进行试验及验证，获得相关指标参数；获得水中航行器相关参数的理论设计值。

Description

水中航行器的研制试验方法及仿真试验系统

技术领域

本发明涉及水中航行器研制技术领域，尤其是涉及一种水中航行器研制试验方法及及仿真试验系统。

背景技术

水下航行器导航技术与飞机、导弹等飞行器导航技术相比，具有工作时间长、环境复杂、信息源少、隐蔽性要求高等特点，因此水下导航具有更大的难度。

CN107292015A公开了一种基于神经网络算法的水下航行器均衡潜浮模型仿真评估方法，设定多种工况下的输入参数，对水下航行器均衡潜浮模型的数学模型进行试验；当所述潜浮模型达到设定状态时，记录各项输入输出参数作为一个样本集；利用神经网络算法对所述样本集进行数值分析，得到所述数学模型与理想值之间的误差系数；若所述误差系数在规定范围内，则用所述误差系数来评估所述潜浮模型。本发明可以评估水下航行器均衡潜浮模型的准确性。

利用数学模型能获得水下航行器的设计参数。然而，利用实物仿真系统，可以检验系统中某些部件的性能，可以进一步校正系统的数学模型，从而在实验室内全面地检验和评定系统设计的合理性和各部件工作的协调性，在武器系统研制中发挥了重要作用，具有经济性和安全性的特点。

目前现有的水中航行器，尤其是军用领域性能优良且先进的产品十分缺乏，其研发设计及其产品开发验证测试过程中存在以下缺陷：研发设计周期长，样机需要反复验证测试后再重复试制；技术力量薄弱，相关经验欠缺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以检验系统性能，可以进一步校正系统的设计参数，能降低试验难度及风险的水中航行器研制试验方法及及仿真试验系统。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种水中航行器的研制试验方法，通过两次总体设计，确定水中航行器和水中航行器仿真试验系统的技术参数设定值，二者的技术参数中包括相同的流体外型、相同的舵翼外型及位置、相同的桨叶外型及位置、相同的尾部流体外型，二者的技术参数中长度和重量不相同；所述水中航行器仿真试验系统包括尾段舱段、电池舱段；两端分别与所述尾段舱段和电池舱段连接的调节舱段；与所述尾段舱段的尾段壳体一端连接的舵板；位于所述尾段舱段内的尾段组件；设置在所述电池舱段上的充电口盖；所述调节舱段具有调节舱段壳体，若干与所述调节舱段壳体连接的环形加强筋，与所述环形加强筋和调节舱段壳体连接的调节装置；所述调节装置包括一端与所述环形加强筋可拆卸连接、另一端与调节舱段壳体可拆卸连接的调节支架，与所述调节支架可拆卸连接的粗调节圆盘，设置在所述粗调节圆盘上不同位置处的调节通孔，穿过所述调节通孔后与所述调节支架底部连接的粗调节圆盘固定螺栓，与所述调节支架可拆卸连接的细调节圆盘，设置在所述细调节圆盘中心的轴向通孔，穿过所述轴向通孔后与所述调节支架侧部连接的细调节圆盘固定螺栓，所述粗调节圆盘固定螺栓与细调节圆盘固定螺栓相互垂直；通过调节舱段增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力大于重力；试验过程中包括在三维建模软件中通过对调节装置进行材料属性设定，通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值；将理论值与设计要求值进行比较，如果相差较大，则通过对调节支架的前后位置、粗调节圆盘的总重量与位置、或细调节圆盘的总重量与位置三项变量中的至少一项进行更改，更改后重新通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值，直至水中航行器仿真试验系统重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值与设计要求值的差异在允许范围内；对水中航行器仿真试验系统进行试验及验证，获得其航速、舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力实际航行指标参数；利用水中航行器仿真试验系统所获得的实际航行指标参数、及设计水中航行器仿真试验系统在流体中的基本航行参数，根据水中航行器和水中航行器仿真试验系统之间的对应关系进行推算和拟合，获得水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值，然后根据获得的水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值对水中航行器进行设计开发。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的水中航行器的研制试验方法，所述舱段之间为插入式连接；其中一舱段外壳体上设有舱段间定位销和密封槽，二舱段连接面之间具有楔环和位于所述密封槽内的密封圈，相邻舱段连接后通过固定销固定。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的水中航行器的研制试验方法，试验过程中，还包括在尾段舱段、调节舱段或电池舱段中的至少一个舱段粘贴调节贴片，来调节水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置和转动惯量。

为了解决上述技术问题，根据本发明的另一方面，本发明提供一种水中航行器仿真试验系统，包括尾段舱段、电池舱段；与所述尾段舱段的尾段壳体一端连接的舵板；位于所述尾段舱段内的尾段组件；设置在所述电池舱段上的充电口盖；两端分别与所述尾段舱段和电池舱段连接的调节舱段；所述调节舱段具有调节舱段壳体，若干与所述调节舱段壳体连接的环形加强筋，与所述环形加强筋和调节舱段壳体连接的调节装置；所述调节装置包括一端与所述环形加强筋可拆卸连接、另一端与调节舱段壳体可拆卸连接的调节支架，与所述调节支架可拆卸连接的粗调节圆盘，设置在所述粗调节圆盘上不同位置处的调节通孔，穿过所述调节通孔后与所述调节支架底部连接的粗调节圆盘固定螺栓，与所述调节支架可拆卸连接的细调节圆盘，设置在所述细调节圆盘中心的轴向通孔，穿过所述轴向通孔后与所述调节支架侧部连接的细调节圆盘固定螺栓，所述粗调节圆盘固定螺栓与细调节圆盘固定螺栓相互垂直；通过调节舱段增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力大于重力。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，所述舱段之间为插入式连接；其中一舱段外壳体上设有舱段间定位销和密封槽，二舱段连接面之间具有楔环和位于所述密封槽内的密封圈，相邻舱段连接后通过固定销固定。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，所述调节支架的底部具有与所述环形加强筋连接的凹槽；所述调节支架的顶端通过支架紧固螺栓与调节舱段壳体连接。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，还包括粘贴在尾段舱段、调节舱段或电池舱段中的至少一个舱段的调节贴片。调节贴片可粘贴在各舱段壳体的内、外壁或其它位置。

在不冲突的情况下，前述改进方案可单独或组合实施。

水中航行器的航速、舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力等实际航行指标参数是需要反复试验和验证来得到的物理量，这些参数与航行器的长度、重心位置、浮心位置、转动惯量及浮力大小等是紧密相关。试验表明，在不改变航行器的外直径、舵翼外型及位置、桨叶外型及位置、尾部流体外型等总体流体外型特征的情况下，就能够较准确地通过水中航行器的仿真试验系统试验得到的参数推导出水中航行器的舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力。有了水中航行器这些理论参数后，就可以开展实际产品的水中航行器模拟仿真分析，即按水中航行器的三维建模及其理论横纵参数设定作为基础量，以推导计算所得参数的数据为控制量，以环境温度、流速、水压等作为环境变量建立流体仿真试验场。

通过模拟试验，验证实际产品的总体技术参数设定值与计算所得参数的数据是否匹配，如果匹配性存在一定差异，则可以调整实际产品的总体技术参数设定值或者调整水中航行器的仿真试验系统的总体技术参数设定值来重新验证，直至匹配完成。在对水中航行器的仿真试验系统进行航行指标参数和基本航行参数进行实际试验验证的同时，也对实际产品进行仿真试验验证，两者作为对比和参考。

本发明提供的技术方案，水中航行器仿真试验系统受到的浮力大于重力，且浮力与重力接近相等，采用正浮力水中航行器仿真试验系统替代负浮力实际产品来进行试验，试验和验证时，可以省去回收舱段，也不用担心航行器沉底丢失，更不需要辅助发射平台，在试验和验证过程中如果发现总体技术参数设定值不理想，改进起来也十分便捷。通过测试水中航行器仿真试验系统，根据所得数据溯源至实际产品来完成产品的定型和验证的方法比现有的研制方法要更为科学和有效，能有效缩短试验和验证时间，降低试验难度及风险。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例水中航行器仿真试验系统的结构原理示意图；

图2为图1的A向结构原理示意图；

图3为图1的I部放大图；

图4为实施例水中航行器仿真试验系统的舱段之间连接处的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示的水中航行器仿真试验系统，包括尾段舱段20、电池舱段21，与尾段舱段20的尾段壳体2一端连接的舵板1，位于尾段舱段20内的尾段组件3，设置在电池舱段21上的充电口盖11，两端分别与尾段舱段20和电池舱段21连接的调节舱段14，调节舱段14具有调节舱段壳体8，若干与调节舱段壳体8连接的环形加强筋7，与环形加强筋7和调节舱段壳体8连接的调节装置；调节装置包括一端与环形加强筋7可拆卸连接、另一端与调节舱段壳体8可拆卸连接的调节支架6，与调节支架6可拆卸连接的粗调节圆盘16，设置在粗调节圆盘16上不同位置处的调节通孔4，穿过调节通孔4后与调节支架6底部连接的粗调节圆盘固定螺栓15，与调节支架6可拆卸连接的细调节圆盘5，设置在细调节圆盘5中心的轴向通孔，穿过轴向通孔后与调节支架6侧部连接的细调节圆盘固定螺栓19，粗调节圆盘固定螺栓15与细调节圆盘固定螺栓19相互垂直。通过调节舱段14增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段14调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力略大于重力。

通过使调节支架与不同位置处的环形加强筋7连接，可更改调节支架在水中航行器仿真试验系统的前后位置，粗调节圆盘固定螺栓15与粗调节圆盘16上的不同位置的调节通孔4连接，使粗调节圆盘16在水中航行器仿真试验系统的前后位置可调，通过增减粗调节圆盘16的数量可对粗调节圆盘的总重量，细调节圆盘5在水中航行器仿真试验系统的横向位置可调，细调节圆盘的总重量也可调，粗调节圆盘16、细调节圆盘5位于不同的高度，通过对它们进行组合调节，可调节重心的高度。因此，水中航行器仿真试验系统可以通过对调节支架6、粗调节圆盘16、细调节圆盘5三项变量中的至少一项的调节来调整其重心位置、浮心位置、转动惯量、浮力大小等参数，可实现一定范围的重心位置、转动惯量等总体横纵参数三向自由调节。

其中的一个实施例，如图4所示，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，舱段之间为插入式连接，其中一舱段外壳体上设有舱段间定位销13和密封槽12，二舱段连接面之间具有楔环9和位于密封槽12内的密封圈10，相邻舱段连接后通过固定销固定。舱段之间为插入式连接方便水中航行器仿真试验系统的组装，型号规格的变更。楔环9的作用是舱段连接后紧固，密封圈10和密封槽12起密封作用，舱段间定位销13的作用是保持舱段间的定位精度。

其中的一个实施例，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，调节支架6的底部具有与环形加强筋7连接的凹槽22；调节支架6的顶端通过支架紧固螺栓17与调节舱段壳体8连接。调节支架6的底部凹槽22与环形加强筋7连接，支架紧固螺栓17与调节舱段壳体8可拆卸地连接，使得调节支架6方便前后移动。

其中的一个实施例，本发明提供的水中航行器的仿真试验系统，还包括粘贴在尾段舱段20、调节舱段14或电池舱段21中的至少一个舱段的调节贴片18。调节贴片18可灵活贴于舱段的不同位置，从而更精准地调整水中航行器的仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量、浮力大小等参数。调节舱段14的调节支架6、粗调节圆盘16、细调节圆盘5的组合调整能够实现一定范围内重心位置、转动惯量等参数的调节，作为粗调法。在任意舱段的壳体内、外壁粘贴调节贴片18，能实现精确调节，作为细调法。

水中航行器的研制试验时，通过两次总体设计，确定水中航行器和水中航行器仿真试验系统的技术参数设定值，二者的技术参数中包括相同的流体外型、相同的舵翼外型及位置、相同的桨叶外型及位置、相同的尾部流体外型，二者的技术参数中长度和重量不相同；试验过程中，通过调节舱段14增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段14调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力略大于重力；水中航行器或水中航行器仿真试验系统各舱段的壳体、桨叶等材质提前在三维建模软件中设定，且不会发生变化；在三维建模软件中通过对调节装置进行材料属性设定，通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值；将理论值与设计要求值进行比较，如果相差较大，则通过对调节支架6的前后位置、粗调节圆盘16的总重量与位置、或细调节圆盘5的总重量与位置三项变量中的至少一项进行更改，更改后重新通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值，直至水中航行器仿真试验系统重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值与设计要求值的差异在允许范围内；对水中航行器仿真试验系统进行试验及验证，获得其航速、舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力实际航行指标参数；利用水中航行器仿真试验系统所获得的实际航行指标参数、及设计水中航行器仿真试验系统在流体中的基本航行参数，根据水中航行器和水中航行器仿真试验系统之间的对应关系进行推算和拟合，获得水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值，然后根据获得的水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值对水中航行器进行设计开发。水中航行器或水中航行器仿真试验系统的基本航行参数包括最小转向半径、最大滚转控制力等。

设计中对于各舱段壳体、桨叶等不论是实际水中航行器还是水中航行器仿真试验系统材质一般都不变，例如选用高强度铝合金，对于调节装置的调节支架6、粗调节圆盘16、细调节圆盘5的材料选用，可选用比重轻的材料，也可以选用比重较大的材料，便于快速配到理想的重心位置、浮心位置、转动惯量。

水中航行器的航速、舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力等实际航行指标参数是需要反复试验和验证来得到的物理量，试验表明这些参数与航行器的长度、重心位置、浮心位置、转动惯量及浮力大小等紧密相关。在不改变航行器的外直径、舵翼外型及位置、桨叶外型及位置、尾部流体外型等总体流体外型特征的情况下，就能够较准确地通过水中航行器的仿真试验系统试验得到的参数推导出水中航行器的舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力。有了水中航行器这些理论参数后，就可以开展实际产品的水中航行器模拟仿真分析，即按水中航行器的三维建模及其理论横纵参数设定作为基础量，以推导计算所得参数的数据为控制量，以环境温度、流速、水压等作为环境变量建立流体仿真试验场。

水中航行器和水中航行器仿真试验系统二者的长度不同、重心位置不同、浮心位置不同、转动惯量不同；而流体外型相同、舵翼外型及位置相同、桨叶外型及位置相同、尾部流体收尾相同。当上述参数均已知时，根据现有设计理论和经验便可进行推算和拟合，获得水中航行器的航行指标参数和基本航行参数等理论值，然后按照通过推算和拟合所得到水中航行器的航行指标参数和基本航行参数，对水中航行器进行设计开发，编写程序和制定控制方案，从而使得开发的水中航行器的实际航行和技术效果能达到设计要求。

通过模拟试验，验证实际产品的总体技术参数设定值与计算所得参数的数据是否匹配，如果匹配性存在一定差异，则可以调整实际产品的总体技术参数设定值或者调整水中航行器的仿真试验系统的总体技术参数设定值来重新验证，直至匹配完成。在对水中航行器的仿真试验系统进行航行指标参数和基本航行参数进行实际试验验证的同时，也对实际产品进行仿真试验验证，两者作为对比和参考。

本发明提供的技术方案，通过对正浮力的水中航行器的仿真试验系统进行试验及验证来代替对负浮力水中航行器的试验及验证。由于试验和验证对象变为正浮力，这将有效缩短试验和验证周期及降低试验难度及风险。

因为水中航行器的仿真试验系统具有一定且可调的正浮力，试验和验证时，可以省去回收舱段，也不用担心航行器沉底丢失，更不需要辅助发射平台，在试验和验证过程中如果发现总体技术参数设定值不理想，改进起来也十分便捷。

对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明权利要求的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水中航行器的研制试验方法，其特征在于，通过两次总体设计，确定水中航行器和水中航行器仿真试验系统的技术参数设定值，二者的技术参数中包括相同的流体外型、相同的舵翼外型及位置、相同的桨叶外型及位置、相同的尾部流体外型，二者的技术参数中长度和重量不相同；所述水中航行器仿真试验系统包括尾段舱段（20）、电池舱段（21）；两端分别与所述尾段舱段（20）和电池舱段（21）连接的调节舱段（14）；与所述尾段舱段（20）的尾段壳体（2）一端连接的舵板（1）；位于所述尾段舱段（20）内的尾段组件（3）；设置在所述电池舱段（21）上的充电口盖（11）；所述调节舱段（14）具有调节舱段壳体（8），若干与所述调节舱段壳体（8）连接的环形加强筋（7），与所述环形加强筋（7）和调节舱段壳体（8）连接的调节装置；所述调节装置包括一端与所述环形加强筋（7）可拆卸连接、另一端与调节舱段壳体（8）可拆卸连接的调节支架（6），与所述调节支架（6）可拆卸连接的粗调节圆盘（16），设置在所述粗调节圆盘（16）上不同位置处的调节通孔（4），穿过所述调节通孔（4）后与所述调节支架（6）底部连接的粗调节圆盘固定螺栓（15），与所述调节支架（6）可拆卸连接的细调节圆盘（5），设置在所述细调节圆盘（5）中心的轴向通孔，穿过所述轴向通孔后与所述调节支架（6）侧部连接的细调节圆盘固定螺栓（19），所述粗调节圆盘固定螺栓（15）与细调节圆盘固定螺栓（19）相互垂直；通过调节舱段（14）增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段（14）调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力大于重力；试验过程中包括在三维建模软件中通过对调节装置进行材料属性设定，通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值；将理论值与设计要求值进行比较，如果相差较大，则通过对调节支架（6）的前后位置、粗调节圆盘（16）的总重量与位置、或细调节圆盘（5）的总重量与位置三项变量中的至少一项进行更改，更改后重新通过三维建模软件获得水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值，直至水中航行器仿真试验系统重心位置、浮心位置、转动惯量的理论值与设计要求值的差异在允许范围内；对水中航行器仿真试验系统进行试验及验证，获得其航速、舵控制俯仰角、偏航角、滚转角以及推进力实际航行指标参数；利用水中航行器仿真试验系统所获得的实际航行指标参数、及设计水中航行器仿真试验系统在流体中的基本航行参数，根据水中航行器和水中航行器仿真试验系统之间的对应关系进行推算和拟合，获得水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值，然后根据获得的水中航行器航行指标参数和基本航行参数的理论值对水中航行器进行设计开发。

2.根据权利要求1所述的水中航行器的研制试验方法，其特征在于，所述舱段之间为插入式连接；其中一舱段外壳体上设有舱段间定位销（13）和密封槽（12），二舱段连接面之间具有楔环（9）和位于所述密封槽（12）内的密封圈（10），相邻舱段连接后通过固定销固定。

3.根据权利要求1所述的水中航行器的研制试验方法，其特征在于，试验过程中，还包括在尾段舱段（20）、调节舱段（14）或电池舱段（21）中的至少一个舱段粘贴调节贴片（18），来调节水中航行器仿真试验系统的重心位置、浮心位置和转动惯量。

4.一种水中航行器仿真试验系统，包括尾段舱段（20）、电池舱段（21）；两端分别与所述尾段舱段（20）和电池舱段（21）连接的调节舱段（14）；与所述尾段舱段（20）的尾段壳体（2）一端连接的舵板（1）；位于所述尾段舱段（20）内的尾段组件（3）；设置在所述电池舱段（21）上的充电口盖（11）；所述调节舱段（14）具有调节舱段壳体（8），若干与所述调节舱段壳体（8）连接的环形加强筋（7），与所述环形加强筋（7）和调节舱段壳体（8）连接的调节装置；所述调节装置包括一端与所述环形加强筋（7）可拆卸连接、另一端与调节舱段壳体（8）可拆卸连接的调节支架（6），与所述调节支架（6）可拆卸连接的粗调节圆盘（16），设置在所述粗调节圆盘（16）上不同位置处的调节通孔（4），穿过所述调节通孔（4）后与所述调节支架（6）底部连接的粗调节圆盘固定螺栓（15），与所述调节支架（6）可拆卸连接的细调节圆盘（5），设置在所述细调节圆盘（5）中心的轴向通孔，穿过所述轴向通孔后与所述调节支架（6）侧部连接的细调节圆盘固定螺栓（19），所述粗调节圆盘固定螺栓（15）与细调节圆盘固定螺栓（19）相互垂直；通过调节舱段（14）增加水中航行器仿真试验系统的浮力，利用调节舱段（14）调节水中航行器仿真试验系统的重量，使水中航行器仿真试验系统受到的浮力大于重力。

5.根据权利要求4所述的水中航行器的仿真试验系统，其特征在于，所述舱段之间为插入式连接；其中一舱段外壳体上设有舱段间定位销（13）和密封槽（12），二舱段连接面之间具有楔环（9）和位于所述密封槽（12）内的密封圈（10），相邻舱段连接后通过固定销固定。

6.根据权利要求4所述的水中航行器的仿真试验系统，其特征在于，所述调节支架（6）的底部具有与所述环形加强筋（7）连接的凹槽（22）；所述调节支架（6）的顶端通过支架紧固螺栓（17）与调节舱段壳体（8）连接。

7.根据权利要求4所述的水中航行器的仿真试验系统，其特征在于，还包括粘贴在尾段舱段（20）、调节舱段（14）或电池舱段（21）中的至少一个舱段的调节贴片（18）。