CN116720413B - 一种湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法，涉及运载器的有效载荷刚度分析技术领域，对湿式蛙人运载器受到的力进行分析，计算湿式蛙人运载器受到的动力；构建时间区间刚度优化模型，计算有效刚度和有效载荷；划分结构网格单元，确定每个结构网格单元的结点；对湿式蛙人运载器的非结点载荷进行载荷移置处理，得到结点有效载荷矩阵；计算每个结构网格单元的结点的等效传递载荷向量，本发明准确分析了湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配，分析精度高。
Description
技术领域
本发明涉及运载器的有效载荷刚度分析技术领域，具体涉及一种湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法。
背景技术
湿式蛙人运载器是实现运输蛙人到指定海域进行探索的一种装置，将在未来局部海洋中发挥着重要作用。同时，它还是人们探索海洋、开发海洋的重要工具之一。它具有机动性强、成本低、维修容易等特点，因此，在现阶段，湿式蛙人运载器也更多承担着多种任务，例如:水下救援作业、水下管道铺设、港口探测清淤、船底检查等。而要实施上述活动，有效载荷刚度分配的分析在湿式蛙人运载器的运动系统便显得尤为重要，这也是实现这些水下活动的基本保证。有必要寻求一种有效载荷刚度分配的方法，获取满足频率指标、重量约束前提下的运载器结构参数以及对有效载荷的频率要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法，包括如下步骤：
S1、基于湿式蛙人运载器在水下的运动参数，对湿式蛙人运载器进行受力分析，计算湿式蛙人运载器在水下受到的动力；
S2、根据所述湿式蛙人运载器在水下受到的动力，构建时间区间刚度优化模型，计算有效刚度和有效载荷；
S3、将湿式蛙人运载器的结构划分成结构网格单元，确定每个结构网格单元的结点；
S4、对湿式蛙人运载器的非结点载荷进行载荷移置处理，根据步骤S2得到的有效刚度和有效载荷，得到结点有效载荷矩阵；
S5、计算步骤S3中确定的每个结构网格单元的结点的等效传递载荷向量。
进一步地，步骤S1中，湿式蛙人运载器受到的动力XT表示为:
；
其中，是螺旋桨的转速，/>是周围水质的密度，Dp是螺旋桨的直径，tp是动力减额；KT是动力函数，KT是比值JP的函数；
；
K1、K2、K3是试验得到的系数因子。
进一步地，比值JP定义为:
；
其中，u是湿式蛙人运载器纵向前进的速度，是螺旋桨的转速，wp是螺旋桨的随流分数。
进一步地，步骤S2中，在时间区间内的刚度优化模型描述为：
；
；
式中，表示有效刚度，/>表示有效载荷，K和M分别表示湿式蛙人运载器整体的刚度和整体的质量；/>和u(t)分别表示湿式蛙人运载器的加速度矢量和位移矢量，XT(t)表示随时间t变化的力矢量。
进一步地，有效刚度和有效载荷/>分别由下面两个方程计算得出：
；
；
其中，位移精度参数为，时间步长为Δt。
进一步地，步骤S3中，将湿式蛙人运载器的结构划分为三类结构网格单元：内部网格单元，边缘网格单元，角部网格单元；
对于内部网格单元的结点的载荷均作用在所述内部网格单元内；
对于边缘网格单元的结点的载荷的一半作用在所述内部网格单元内；
对于角部网格单元的结点的载荷的四分之一作用在所述内部网格单元内。
进一步地，步骤S4中，将三类结构网格单元的非结点的载荷逐一移置到结构网格单元的结点上，再加上原结构网格单元的结点的载荷，得到结点有效载荷矩阵。
进一步地，步骤S5中，设螺旋桨质量为MT，螺旋桨所受结构外力为 FW，则螺旋桨所受合力FH表示为FH ＝ -MTg + FW；
根据得到的有效刚度和有效载荷，得到连接结点的等效传递载荷向量Fg：
其中，g为等效传递载荷向量Fg的角标，G为结点有效载荷矩阵，GT表示结点有效载荷矩阵的转置。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
对湿式蛙人运载器受到的力进行分析，计算湿式蛙人运载器受到的动力；构建时间区间刚度优化模型，计算有效刚度和有效载荷；划分结构网格单元，确定每个结构网格单元的结点；对湿式蛙人运载器的非结点载荷进行载荷移置处理，得到结点有效载荷矩阵；计算每个结构网格单元的结点的等效传递载荷向量。本发明准确分析了湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配，分析精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法的流程示意图；
图2为本发明的三类结构网格单元的结点示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
湿式蛙人运载器在水下的运动可以看作是刚体对各种外力的响应，即是水动力对刚体的作用。要研究湿式蛙人运载器在水下的运动，就必须要准确知道湿式蛙人运载器的状态，即是航向、姿态、速度等参数，才能针对实际的情况计算湿式蛙人运载器的受力情况。
湿式蛙人运载器在水下的运动，可以简化为平面运动和垂直面的运动。湿式蛙人运载器的水平面运动是一种只改变航向而不改变姿态和深度运动，又可以分为保持航向和改变航向两种状态。湿式蛙人运载器的垂直面的运动，是一种只改变深度和姿态而航向不变的运动，包括两种基本的运动状态，即定深和变深状态两种。
如图1所示，为本发明的湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法的流程示意图，该湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法包括如下步骤：
S1、基于湿式蛙人运载器在水下的运动参数，对湿式蛙人运载器进行受力分析，计算湿式蛙人运载器在水下受到的动力。
湿式蛙人运载器的动力及动力矩受许多因素的影响，而且动力的计算复杂，它除了与其本身的几何参数有关外，还与水下运动的运动参数、流体介质等特性有关。木步骤针对主要的影响因素进行受力分析，湿式蛙人运载器受到的力主要是静力，包括浮力和重力、惯性水动力、螺旋桨力等。
为了简化水动力的复杂程度，本实施例将空间的运动分解为水平面运动和垂直面的运动两种方式，而暂不考虑两者之间的耦合。在系统方面，则采用电机连着螺旋桨作为上升和下降的主要方式动力，在垂直方向是螺旋力动力，在水平面时，则有两个防水电机连着螺旋桨。
对湿式蛙人运载器进行受力分析后，
；
由此得到湿式蛙人运载器受到的动力XT表示为：
；
其中，是螺旋桨的转速，/>是周围水质的密度，Dp是螺旋桨的直径，tp是动力减额；KT是动力函数，KT是比值JP的函数：
；
K1、K2、K3是试验得到的系数因子。
比值JP定义为:
；
其中，u是湿式蛙人运载器纵向前进的速度，是螺旋桨的转速，wp是螺旋桨的随流分数。
S2、根据湿式蛙人运载器在水下受到的动力，构建时间区间刚度优化模型，计算有效刚度和有效载荷。
应用于实际运动过程中的湿式蛙人运载器经常需要承受随时间不断变化的动力载荷的作用，且时变载荷引起的结构损伤会成为影响结构安全使用的主要因素，因此，本步骤用于解决时间区间动力载荷下的结构拓扑优化问题。
本步骤考虑无阻尼振动问题，在时间区间内的刚度优化模型描述为：
；
。
式中，表示有效刚度，/>表示有效载荷，K和M分别表示湿式蛙人运载器整体的刚度和整体的质量；/>和u(t)分别表示湿式蛙人运载器的加速度矢量和位移矢量，本步骤给定它们的初始值分别为/>和u(0)=0；XT(t)表示一个随时间变化的力矢量。
表示有效刚度，/>表示有效载荷，它们分别由下面两个方程计算得出：
；
；
其中，位移精度参数为，时间步长为Δt。
S3、将湿式蛙人运载器的结构划分成结构网格单元，确定每个结构网格单元的结点。
将湿式蛙人运载器的结构划分为三类结构网格单元：内部网格单元，边缘网格单元，角部网格单元。
每个结构网格单元的结点如图2所示。
对于内部网格单元，落在内部网格单元的结点（图中米字结点），其全部载荷均作用在单元内。
对于边缘网格单元的结点（图中圆圈结点），其载荷值的一半作用在内部网格单元内。
对于角部网格单元的结点（图中方实心结点），其载荷值的四分之一作用在内部网格单元内。
S4、对湿式蛙人运载器的非结点载荷进行载荷移置处理，根据步骤S2得到的有效刚度和有效载荷得到结点有效载荷矩阵。
在有限元分析中，认为网格单元与网格单元之间仅通过结点相互联系。因此，在有效载荷刚度分配过程中，如果外载荷不是直接作用在结点上，那么就需要将非结点载荷向结点等效移置，即把作用在结构上的真实外载荷理想化为作用在结点上的集中载荷。
整个结构的非结点载荷的移置按网格单元进行，即将各网格单元所受的非结点外载荷分别移置到各网格单元相应的结点上；然后，在公共结点处应用力的叠加原理，便可求出整个结构的有效载荷矩阵。网格单元载荷移置所遵循的原则是能量等效原则，即网格单元的实际载荷与移置后的结点载荷在相应的虚位移上所做的功相等。
将结构网格单元内部的非结点载荷点逐一移置到结构网格单元的结点上，再加上原来结构网格单元的结点的载荷，得到结点有效载荷矩阵。
S5、计算步骤S3中确定的每个结构网格单元的结点的等效传递载荷向量。
设螺旋桨质量为MT，螺旋桨所受结构外力为FW，则螺旋桨所受合力FH可表示为FH＝ -MTg + FW。
根据得到的有效刚度和有效载荷，得到连接结点的等效传递载荷向量Fg：
其中，g为等效传递载荷向量Fg的角标，G为结点有效载荷矩阵，GT表示结点有效载荷矩阵的转置，表示有效刚度，/>表示有效载荷。
根据本发明的上述计算方法，在湿式蛙人运载器中，时常要装载一些观察装置等，这样就使得整个湿式蛙人运载器的重力和重心位置会发生一些变化。根据配置情况，可以在湿式蛙人运载器的中部适当添加浮力材料，以调整重力和浮力之间的关系。这些浮力材料是能承受水下2000m的压力，浮力系数是0.5。
湿式蛙人运载器中的重力和浮力设置上保持浮心与重心的距离h=l5cm，这样可以保证湿式蛙人运载器在水中处于不倒翁式的稳定状态。
目前80%的水下运载器都是用电动机进行推进的。本发明讨论的湿式蛙人运载器也不例外，也是采取直流电动机进行推进。这是因为直流电动机的成本低，调速和控制系统都相对简单，容易实现。对于湿式蛙人运载器来说，直流电动机直接和螺旋桨相连接，组成湿式蛙人运载器的动力推进装置，动力推进装置布置好后，控制直流电机的转速大小就可以输出变化的动力，从而控制湿式蛙人运载器的速度。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种湿式蛙人运载器的有效载荷刚度分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于湿式蛙人运载器在水下的运动参数，对湿式蛙人运载器进行受力分析，计算湿式蛙人运载器在水下受到的动力；
S2、根据所述湿式蛙人运载器在水下受到的动力，构建时间区间刚度优化模型，计算有效刚度和有效载荷；
在时间区间内的刚度优化模型描述为：
；
；
；
式中，表示有效刚度，/>表示有效载荷，K和M分别表示湿式蛙人运载器整体的刚度和整体的质量；/>和u(t)分别表示湿式蛙人运载器的加速度矢量和位移矢量，XT(t)表示随时间t变化的力矢量；
S3、将湿式蛙人运载器的结构划分成结构网格单元，确定每个结构网格单元的结点；
将湿式蛙人运载器的结构划分为三类结构网格单元：内部网格单元，边缘网格单元，角部网格单元；
对于内部网格单元的结点的载荷均作用在所述内部网格单元内；
对于边缘网格单元的结点的载荷的一半作用在所述内部网格单元内；
对于角部网格单元的结点的载荷的四分之一作用在所述内部网格单元内；
S4、对湿式蛙人运载器的非结点载荷进行载荷移置处理，将三类结构网格单元的非结点的载荷逐一移置到结构网格单元的结点上，再加上原结构网格单元的结点的载荷，得到结点有效载荷矩阵；
S5、计算步骤S3中确定的每个结构网格单元的结点的等效传递载荷向量；
设螺旋桨质量为MT，螺旋桨所受结构外力为 FW，则螺旋桨所受合力FH表示为FH ＝ -MTg+ FW；
根据得到的有效刚度和有效载荷，得到连接结点的等效传递载荷向量Fg：
，其中，g为等效传递载荷向量Fg的角标，G为结点有效载荷矩阵，GT表示结点有效载荷矩阵的转置。
2.根据权利要求1所述的有效载荷刚度分配方法，其特征在于，步骤S1中，湿式蛙人运载器受到的动力XT表示为:
；
其中，是螺旋桨的转速，/>是周围水质的密度，Dp是螺旋桨的直径，tp是动力减额；KT是动力函数，KT是比值JP的函数；
；
K1、K2、K3是试验得到的系数因子。
3.根据权利要求2所述的有效载荷刚度分配方法，其特征在于，比值JP定义为:
；
其中，v是湿式蛙人运载器纵向前进的速度,np是螺旋桨的转速，wp是螺旋桨的随流分数。
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