CN110298134A - 提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法 - Google Patents

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CN110298134A CN201910605451.0A CN201910605451A CN110298134A CN 110298134 A CN110298134 A CN 110298134A CN 201910605451 A CN201910605451 A CN 201910605451A CN 110298134 A CN110298134 A CN 110298134A
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Abstract

本发明提供一种提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法。本发明方法，包括：建立水下机器人自航对接几何模型，包括水下机器人模型和对接结构模型；将构筑完成的模型导入网格划分软件中，建立适合流场运动方向的网格拓扑结构；建立满足稳态求解精度和效率的混合网格系统，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；通过流体分析软件组装水下机器人自航对接几何模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式，通过编写和设置模拟水下机器人自航对接过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，模拟水下机器人自航对接的过程。本发明能真实再现操纵运动的响应，对操纵运动进行实时预报，提高安全操纵范围和评估，提高载体作业的安全性和成功率。

Description

提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法
技术领域
本发明涉及海上船舶、水下机器人、潜艇、鱼雷等的操纵运动响应分析和运动性能评估领域，尤其涉及一种提高水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)自航对接瞬态运动预报的数值方法。
背景技术
现有技术用于海洋载体的瞬态操纵性预报的方法有两种，重叠网格法和动网格法。重叠网格法尽管可以预报载体的实时操纵运动，但是由于重叠网格的界面插值容易导致计算精度变差问题；同时根据物体的运动实时更新边界，计算非常耗时，计算量大。目前虽已用于载体实时操纵运动的模拟，但只是限于定常操纵运动模拟，还不能进行非定常的操纵运动模拟。而且计算非常耗时，通常需要在超算中心长达1个月的计算。
动网格技术，也可以进行物体边界运动的数值模拟，但是动网格会随着边界运动导致网格畸变和网格大量更新，网格数增加，由此导致计算精度变差和计算时间增长，这限制了动网格在三维大位移高频响应问题中的应用，目前动网格只应用于二维运动，小幅运动和单自由度的三维运动，还不能实现将高速旋转推进的螺旋桨耦合到载体低速运动中进行实时运动模拟。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法。本发明通过直接模拟螺旋桨高速旋转运动，实时精确地预报该类载体的操纵运动，包括载体瞬态的受力，运动和详细的流场云图，分析其产生运动的内在物理因素。本发明采用的技术手段如下：
一种提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，包括如下步骤：
步骤1：通过实体建模软件建立三维1:1的水下机器人自航对接几何模型，其包括水下机器人模型和对接结构模型，然后对其进行装配，所述水下机器人模型包括水下机器人载体模型以及作为附体的螺旋桨模型和舵模型；
步骤2：将构筑完成的模型导入网格划分软件中，建立适合流场运动方向的网格拓扑结构，具体地，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接；
步骤3：建立满足稳态求解精度和效率的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；
步骤4：通过流体分析软件组装所述水下机器人自航对接几何模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式，通过编写和设置模拟水下机器人自航对接过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人自航对接的过程。
进一步地，所述步骤4后还有步骤5，
通过云图将记录的模拟水下机器人自航对接的过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人模型靠近对接结构模型过程中的速度和压力场变化，分析水下机器人对对接结构的影响，以及对接结构对水下机器人的对接干扰作用，通过水下机器人速度历史变化，压力变化动画，再现水下机器人真实对接对接结构的试验运动过程。
进一步地，所述步骤1中，建模的过程具体为：
依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，依据对接结构的几何特点和对接目标识别要求确定对接结构模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，水下机器人载体模型和螺旋桨模型的桨毂中留有预设间隙。
进一步地，所述步骤2中，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域具体包括载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域、纵向运动区域和外流域区域，
载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的圆柱形区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨自身占据的圆柱形区域；
尾迹区域，其包含螺旋桨近场尾流所占的圆柱形区域；
纵向运动区域，其包含从载体区域沿着载体运动方向延伸到远场的圆柱形区域；
外流域区域，其是整个流场中除去载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域和纵向运动区域的剩余区域；
所述界面具体包括第一～第八界面、第S界面和第C界面，
第一、第二、第三界面分别为载体区域和螺旋桨区域相交的圆柱形区域的后端面，圆柱面和前端面，当载体区域运动后，第一、第二、第三界面跟着移动；
第四界面为螺旋桨区域和尾迹区域的界面，当螺旋桨区域运动后，第四界面跟着运动；
第五界面为载体区域和纵向运动区域的界面，当载体区域运动后，第五界面作相应的运动；
第六界面、第七界面和第八界面分别为尾迹区域、载体区域、纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面，当载体运动后，第六界面、第七界面和第八界面均发生变化；
第S界面为尾迹区域和外流域区域的圆柱形界面的后端面，此界面静止。当载体运动后，此界面连接的尾迹区域的网格需要拉伸；
第C界面为纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面的前端面，此界面静止。当载体运动后，此界面连接的纵向运动区域的网格需要压缩。
进一步地，所述步骤3中，根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：载体区域为六面体网格；螺旋桨区域为非结构四面体网格，尾迹区域为结构六面体网格，纵向运动区域为结构六面体网格；外流域区域为非结构四面体网格。
进一步地，所述步骤4中，不同的流场区域相应的区域运动形式，以及相应的界面运动形式具体为：
载体区域由螺旋桨产生的推力产生直航运动，指向水下机器人对接方向；
螺旋桨区域进行旋转运动和直航运动；
尾迹区域进行直航运动；
纵向运动区域进行直航运动；
外流域区域静止；
尾迹区域和外流域区域的界面静止，靠近尾迹区域一侧的网格随着水下机器人航行进行劈分；纵向运动区域和外流域区域的界面静止，靠近纵向运动区域一侧的网格随着水下机器人航行进行压缩。
进一步地，所述步骤4中设计的用户自定义函数模块包括：螺旋桨函数模块，水下机器人函数模块和流域运动函数模块，所述螺旋桨函数模块用于执行螺旋桨模型运动，计算螺旋桨模型推力，记录螺旋桨模型推力；所述水下机器人函数模块则用于读入螺旋桨模型推力，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的水下机器人模型速度；所述流域运动函数模块用于读取水下机器人模型速度，让流域进行相应的运动。
进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤41、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；
步骤42、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力T，将此时的推力T和已航行距离L进行储存；
步骤43、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的加速度，并进行积分，获得水下机器人模型的新速度，将此时的阻力R和新速度V进行存储；
步骤44、读取速度V后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；
步骤45，更新Interface匹配，更新界面流动变量；
步骤46，判断航行距离L与初始位置到对接结构终端位置的距离Lend之间的关系，若L≥Lend，则证明水下机器人模型航行到对接结构模型的终端位置，结束流程，若L＜Lend，则重复步骤步骤42～步骤46，直到L≥Lend。
进一步地，还通过如下方法对载体操纵运动预报的数值精度进行验证：
1)网格无关性研究；
2)水下机器人拖曳试验对比验证；
3)螺旋桨敞水试验对比验证；
4)水下机器人定常自航试验的MFR(Multi-frame References,多参考系坐标法)和本研究的数值模拟对比验证；
5)水下机器人依靠螺旋桨的自航试验速度的对比验证。
海洋或航天的载体操纵运动复杂，对这些复杂操纵运动的精确预报的类物理数值模拟，通常认为需要依赖超级计算中心的一百多个计算节点，耗时几个月才能完成的模拟，本方法则突破了这种局限，可以实现在普通台式机中以较短的时间完成载体操纵运动的类物理数值模拟，本方法通过建立和真实物体一致的数值模型，加载相同的操纵指令，模拟类似真实环境的操纵运动，通过数值计算，获得相应操纵下的载体受力，运动和详细的流场特性。这有利于分析复杂操纵运动的响应，剖析其内在的物理因素，提高海洋载体的安全操纵范围，提高海洋系统作业的安全系数。具有有益效果如下。
1、本发明构建的多块混合网格体系，围绕载体的结构网格，围绕螺旋桨的非结构网格，动网格区域为结构网格，外围的非结构网格，充分利用了结构网格正交性好的优点，提高了扰流场的网格质量，提高了数值求解精度；利用了非结构网格适应复杂模型性，减少了网格的总数量，有利于加速数值求解过程；
2、本发明构建的动网格方案，采用动态层进行网格剖分和压缩，有利于边界移动过程中网格的快速更新计算，同时由于更新后的网格仍然是结构网格，这两者分别提高了数值求解速度和精度；
3、本发明采用的方法能使水下机器人自航对接数值模拟在普通的台式机中进行，历时14天完成非定常计算，获得载体受力和运动变化，以及丰富的流场云图。在计算效率上有优势，文献中的载体类物理数值模拟通常需要在超级计算中心中计算，需要一百多个计算节点，长达1个多月的计算才能完成；
4、本发明采用的方法能获得水下机器人自航对接从静止到对接终端全过程的非定常运动的数值结果，有利于分析瞬态载体的运动响应，这适合于常常工作于复杂海洋环境中，航速瞬态变化的海洋载体，有利于评估其操纵的安全性。而文献中采用的类物理数值模拟方法只能获得定常数值计算结果。
本发明对已有的载体复杂操纵运动，能真实再现操纵运动的响应，对操纵运动进行实时预报，提高安全操纵范围和评估，提高载体作业的安全性和成功率。同时，针对新型和新研制的载体或武器，采用本发明的类数值模拟方法，能减少设计成本，提高安全设计因素，对海洋载体复杂操纵的物理内因进行分析，有利于设计安全可靠的新型载体。
基于上述理由本发明可在海工设备运动性能评估领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明水下机器人对接模型示意图，图中，1、水下机器人主载体模型；2、包括螺旋桨模型和舵模型在内的全附体模型；3、对接结构模型。
图2为本发明水下机器人自航对接对接结构的网格拓扑结构。
图3为本发明水下机器人自航对接网格图。图中：(a)为水下机器人对接过程所在流场网格划分示意图；(b)为螺旋桨区域和尾迹区域网格示意图；(c)为载体区域网格示意图；(d)为对接结构模型网格示意图；(e)为对接结构立体化网格模型示意图；(f)为水下机器人模型立体化网格模型示意图；(g)为水下机器人模型附体结构立体化网格模型示意图。
图4为本发明设计的水下机器人对接的用户自定义函数流程图。
图5为本发明实施例中仿真的水下机器人自航对接速度曲线与试验获得的数值对比图。
图6为本发明实施例中水下机器人自航对接速度云图。其中：
(a)(b)(c)分别为0.6s、3.2s、5.8s测得，(d)为(a)(b)(c)的速度云图的色彩条；
(e)(f)(g)分别为10s、14.8s、16s测得，(h)为(e)(f)(g)的速度云图的色彩条：
图7为本发明实施例中水下机器人自航对接的三维压力云图。其中：
(a)(b)(c)(d)(e)(f)分别为0.6s、3.2s、5.8s、10s、14.8s、16s测得，(g)为(a)(b)(c)(d)(e)(f)的压力云图的色彩条。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例公开了一种提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，包括如下步骤：
步骤1：通过实体建模软件建立三维1:1的水下机器人自航对接几何模型，其包括水下机器人模型和对接结构(dock)模型3，然后对其进行装配，所述水下机器人模型包括水下机器人载体模型1以及作为附体的螺旋桨模型和舵模型2，本实施例采用solidworks软件进行建模；
步骤2：将构筑完成的模型导入网格划分软件中，建立适合流场运动方向的网格拓扑结构，具体地，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接，本实施例采用ANSYSICEM软件进行网格划分；
步骤3：建立满足稳态求解精度和效率的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；
步骤4：通过流体分析软件组装所述水下机器人自航对接几何模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式，通过编写和设置模拟水下机器人自航对接过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人自航对接的过程，本实施例采用ANSYSFLUENT软件进行流体分析。
步骤5，通过云图将记录的模拟水下机器人自航对接的过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人模型靠近对接结构模型过程中的速度和压力场变化，分析水下机器人对对接结构的影响，以及对接结构对水下机器人的对接干扰作用，通过水下机器人速度历史变化，压力变化动画，再现水下机器人真实对接对接结构的试验运动过程。
如图1所示，所述步骤1中，建模的过程具体为：
依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，依据对接结构的几何特点和对接目标识别要求确定对接结构模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，水下机器人载体模型和螺旋桨模型的桨毂中留有预设间隙。
建立模型后，考虑水下机器人相对对接结构的对接起始方位，将水下机器人和对接结构进行装配。建立坐标系OXYZ，OX指向水下机器人对接方向，OY垂直向上，OZ指向右舷。
在数值模拟之前，建立适合流场运动方向的网格拓扑结构非常重要。采用单一流域的网格模型已经不适合复杂载体的复杂运动。将整个流场划分为多个流域模块，有利于根据局部部件大小进行网格划分，达到局部网格精度需求；同时又将远场区域网格尺度放大，对数值计算精度影响较小的远场流域，应该增大网格尺寸，达到尽量减少网格总数的目的，以提高数值求解的效率。如图2所示，本实施例步骤2中，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域具体包括载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域、纵向运动区域和外流域区域，
载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的圆柱形区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨自身占据的圆柱形区域；
尾迹区域，其包含螺旋桨近场尾流所占的圆柱形区域；
纵向运动区域，其包含从载体区域沿着载体运动方向延伸到远场的圆柱形区域；
外流域区域，其是整个流场中除去载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域和纵向运动区域的剩余区域；
所述界面具体包括第一～第八界面、第S界面和第C界面，
第一、第二、第三界面分别为载体区域和螺旋桨区域相交的圆柱形区域的后端面，圆柱面和前端面，当载体区域运动后，第一、第二、第三界面跟着移动；
第四界面为螺旋桨区域和尾迹区域的界面，当螺旋桨区域运动后，第四界面跟着运动；
第五界面为载体区域和纵向运动区域的界面，当载体区域运动后，第五界面作相应的运动；
第六界面、第七界面和第八界面分别为尾迹区域、载体区域、纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面，当载体运动后，第六界面、第七界面和第八界面均发生变化；
第S界面为尾迹区域和外流域区域的圆柱形界面的后端面，此界面静止。当载体运动后，此界面连接的尾迹区域的网格需要拉伸；
第C界面为纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面的前端面，此界面静止。当载体运动后，此界面连接的纵向运动区域的网格需要压缩。
网格的正交性直接影响到数值求解的精度。网格的数量直接影响到数值求解的效率。因此从这两方面出发，设计的网格系统应该尽量正交，捕捉到流场的动态特性，网格总数量尽可能的少。为此，本实施例设计了一种混合网格系统。如图3(a)～(g)所示。根据网格分区，载体区域1为六面体网格；螺旋桨区域2为非结构四面体网格，尾迹区域3为结构六面体网格，纵向运动区域4为结构六面体网格；外流域区域5为非结构四面体网格。各个区域对应各个分区，分别为分区1,2,3,4和5。各个分区的网格特征如表1所示。对接完成后，网格总数如表2所示。随着载体运动，区域3网格数增加，区域4网格数减少。总网格数增加了12.8％。如表2所示。
表1初始网格总数
区域 网格总数 网格类型
区域1 305968 六面体网格
区域2 943908 四面体网格
区域3 18900 六面体网格
区域4 112480 六面体网格
区域5 880739 四面体网格
总计 2 261 995
表2终端网格总数
所述步骤4中设计的用户自定义函数模块包括：螺旋桨函数模块，水下机器人函数模块和流域运动函数模块，所述螺旋桨函数模块用于执行螺旋桨模型运动，计算螺旋桨模型推力，记录螺旋桨模型推力；所述水下机器人函数模块则用于读入螺旋桨模型推力，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的水下机器人模型速度；所述流域运动函数模块用于读取水下机器人模型速度，让流域进行相应的运动。
所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤41、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；
步骤42、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力T，将此时的推力T和已航行距离L进行储存；
步骤43、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的加速度，并进行积分，获得水下机器人模型的新速度，将此时的阻力R和新速度V进行存储；
步骤44、读取速度V后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；
步骤45，更新Interface匹配，更新界面流动变量；
步骤46，判断航行距离L与初始位置到对接结构终端位置的距离Lend之间的关系，若L≥Lend，则证明水下机器人模型航行到对接结构模型的终端位置，结束流程，若L＜Lend，则重复步骤42～步骤46，直到L≥Lend，记录用对接过程中水下机器人的受力，速度，位移等数据。详细的流程图如图4所示。
根据载体运动的趋势，将载体的运动延伸到区域的运动，可以减少扰动区域的网格畸变，提高数值求解精度和效率。此处定义运动区域的运动形式如表3所示。区域1由螺旋桨产生的推力产生直航运动，指向OX轴方向；区域2进行旋转运动和直航运动；区域3进行直航运动；区域4进行直航运动；区域5静止。区域3和区域5的交界面静止，靠近区域3一侧的网格随着水下机器人航行进行劈分；区域4和区域5的交界面静止，靠近区域4一侧的网格随着水下机器人航行进行压缩。相应的交界面运动和连接形式如表4所示。
表3区域运动形式
表4界面运动形式
对采集到的数据进行非定常操纵运动数值模拟，采用有限体积法求解三维非定常不可压缩雷诺平均NS(Navier-Stokes)方程。空间离散采用基于压力方法，2阶精度。时间离散采用隐式离散法，外循环时间步长为定时间步长，每步时间为螺旋桨旋转1度对应的时间，内循环迭代20步。湍流模型为两方程SST k-w湍流模型。物面边界条件为无滑移条件。在进行非定常水下机器人自航数值模拟之前，采用定常收敛结果作为初始值进行迭代计算。
非定常计算在台式机中进行，台式机配置如下：i5-6400 CPU@2.70GHz,2.70GHz,内存16.0GB。以4个处理器并行，采用网格自动分区加载在4个计算节点上，进行并行计算。初始计算后，需要间隔一段时间进行中断，分析网格变化特性以及流场的云图，载体受力状态，判断准确性，如果有误，要重新设置，进行计算。
采用类物理的数值模拟方法进行载体操纵运动预报，其数值精度需要验证，在缺乏与此对应的试验结果的基础上，可以通过采用如下5个方法进行逐步验证：1)网格无关性研究；2)水下机器人拖曳试验对比验证；3)螺旋桨敞水试验对比验证；4)水下机器人定常自航试验的MFR和本研究的数值模拟对比验证；5)水下机器人依靠螺旋桨的自航试验速度的对比验证。
水下机器人自航对接数值模拟完成，可获得水下机器人对接全过程中水下机器人的非定常受力，速度数据；并获得详细的速度矢量、压力和速度云图。尤其是水下机器人在靠近对接结构过程中的速度和压力场变化，可以分析水下机器人对对接结构的影响，以及对接结构对水下机器人的对接干扰作用。并获得动态的水下机器人速度历史变化，压力变化动画，再现水下机器人真实对接对接结构的试验运动过程，给予直观的分析对接的流场干扰和对接的成功率。图5给出了水下机器人从静止开始自航对接全程的速度历史变化曲线，其中在远离对接结构段与水下机器人自航试验对比，表明数值模拟和试验结果吻合很好。这改变了以往动网格计算精度差的问题。图6和图7分别为水下机器人自航对接对接结构的速度云图和三维压力云图。可见，水下机器人螺旋桨尾迹中有梢涡泻出，在靠近桨毂的地方，存在和水下机器人航行方向一致的毂涡。水下机器人航迹随着水下机器人航速的增加而延长。当水下机器人首部进入对接结构井口时，对接结构对水下机器人有阻碍作用；当水下机器人首部通过对接结构的井口，则对接结构对水下机器人有推进作用。
从图中可以看出，本发明的方法应用于水下机器人自航对接dock的类物理数值模拟过程中，整个非定常数值计算在普通台式机以4个计算节点进行，计算对应的载体航行时间为16s,航速可达0.75m/s。计算历时14天。而文献中的载体类物理数值模拟采用超算中心需要一百多个计算节点进行计算，耗时1个月，只能获得载体定常运动的数值结果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过实体建模软件建立三维1:1的水下机器人自航对接几何模型，其包括水下机器人模型和对接结构模型，然后对其进行装配，所述水下机器人模型包括水下机器人载体模型以及作为附体的螺旋桨模型和舵模型；
步骤2：将构筑完成的模型导入网格划分软件中，建立适合流场运动方向的网格拓扑结构，具体地，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接；
步骤3：建立满足稳态求解精度和效率的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；
步骤4：通过流体分析软件组装所述水下机器人自航对接几何模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式，通过编写和设置模拟水下机器人自航对接过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人自航对接的过程。
2.根据权利要求1所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤4后还有步骤5，
通过云图将记录的模拟水下机器人自航对接的过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人模型靠近对接结构模型过程中的速度和压力场变化，分析水下机器人对对接结构的影响，以及对接结构对水下机器人的对接干扰作用，通过水下机器人速度历史变化，压力变化动画，再现水下机器人真实对接对接结构的试验运动过程。
3.根据权利要求1所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤1中，建模的过程具体为：
依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，依据对接结构的几何特点和对接目标识别要求确定对接结构模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，水下机器人载体模型和螺旋桨模型的桨毂中留有预设间隙。
4.根据权利要求1所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤2中，将水下机器人对接过程所在流场划分为多个流场区域具体包括载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域、纵向运动区域和外流域区域，
载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的圆柱形区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨自身占据的圆柱形区域；
尾迹区域，其包含螺旋桨近场尾流所占的圆柱形区域；
纵向运动区域，其包含从载体区域沿着载体运动方向延伸到远场的圆柱形区域；
外流域区域，其是整个流场中除去载体区域、螺旋桨区域、尾迹区域和纵向运动区域的剩余区域；
所述界面具体包括第一～第八界面、第S界面和第C界面，
第一、第二、第三界面分别为载体区域和螺旋桨区域相交的圆柱形区域的后端面，圆柱面和前端面，当载体区域运动后，第一、第二、第三界面跟着移动；
第四界面为螺旋桨区域和尾迹区域的界面，当螺旋桨区域运动后，第四界面跟着运动；
第五界面为载体区域和纵向运动区域的界面，当载体区域运动后，第五界面作相应的运动；
第六界面、第七界面和第八界面分别为尾迹区域、载体区域、纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面，当载体运动后，第六界面、第七界面和第八界面均发生变化；
第S界面为尾迹区域和外流域区域的圆柱形界面的后端面，此界面静止；当载体运动后，此界面连接的尾迹区域的网格需要拉伸；
第C界面为纵向运动区域和外流域区域的圆柱形界面的前端面，此界面静止；当载体运动后，此界面连接的纵向运动区域的网格需要压缩。
5.根据权利要求4所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤3中，根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：载体区域为六面体网格；螺旋桨区域为非结构四面体网格，尾迹区域为结构六面体网格，纵向运动区域为结构六面体网格；外流域区域为非结构四面体网格。
6.根据权利要求4所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤4中，不同的流场区域相应的区域运动形式，以及相应的界面运动形式具体为：
载体区域由螺旋桨产生的推力产生直航运动，指向水下机器人对接方向；
螺旋桨区域进行旋转运动和直航运动；
尾迹区域进行直航运动；
纵向运动区域进行直航运动；
外流域区域静止；
尾迹区域和外流域区域的界面静止，靠近尾迹区域一侧的网格随着水下机器人航行进行劈分；纵向运动区域和外流域区域的界面静止，靠近纵向运动区域一侧的网格随着水下机器人航行进行压缩。
7.根据权利要求1所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤4中设计的用户自定义函数模块包括：螺旋桨函数模块，水下机器人函数模块和流域运动函数模块，所述螺旋桨函数模块用于执行螺旋桨模型运动，计算螺旋桨模型推力，记录螺旋桨模型推力；所述水下机器人函数模块则用于读入螺旋桨模型推力，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的水下机器人模型速度；所述流域运动函数模块用于读取水下机器人模型速度，让流域进行相应的运动。
8.根据权利要求1～7任一项所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤41、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；
步骤42、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力T，将此时的推力T和已航行距离L进行储存；
步骤43、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的加速度，并进行积分，获得水下机器人模型的新速度，将此时的阻力R和新速度V进行存储；
步骤44、读取速度V后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；
步骤45，更新Interface匹配，更新界面流动变量；
步骤46，判断航行距离L与初始位置到对接结构终端位置的距离Lend之间的关系，若L≥Lend，则证明水下机器人模型航行到对接结构模型的终端位置，结束流程，若L＜Lend，则重复步骤步骤42～步骤46，直到L≥Lend。
9.根据权利要求8所述的提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法，其特征在于，还通过如下方法对水下机器人自航对接的过程中的数值精度进行验证：
1)网格无关性研究；
2)水下机器人拖曳试验对比验证；
3)螺旋桨敞水试验对比验证；
4)水下机器人定常自航试验的MFR和本研究的数值模拟对比验证；
5)水下机器人依靠螺旋桨的自航试验速度的对比验证。
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