基于系统耦合的水下DOCK综合特性分析.pdf
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1、第45卷第16 期2023年8 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.16Aug.,2023基于系统耦合的水下 DOCK综合特性分析刁家宇1.2.3,李卫民,袁学庆2 3,付松松,张凯璇(1.辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州12 10 0 0;2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,辽宁沈阳110 0 16;3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁沈阳110 16 9)摘要:水下对接分析是一个非常复杂的过程,除了需要考虑受到的碰撞力大小以外,还需要考虑碰撞形变和水流扰动的相互影响。基于此,本文通过虚拟样机软件模拟AUV
2、的对接过程,验证对接时的碰撞力,确定瞬态结构场,并将其加载到有限元分析软件的流体场中进行基于系统动网格的双向流固耦合仿真,分析得到了较为准确的DOCK变形云图、应力云图、应变云图和系统流体压力云图。本文研究可为AUV水下对接操作提供技术支持,对水下对接的相关研究具有一定的参考价值。关键词:流固耦合;双向耦合;多体动力学仿真;虚拟样机;水下对接中图分类号:U663文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)16-0 0 6 9-0 6Comprehensive characteristics analysis of underwater DOCK based on system cou
3、plingDIAO Jia-yu23,LI Wei-min,YUAN Xue-qing*,FU Song-song,ZHANG Kai-xuan(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121000,China;2.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.In
4、stitutes for Robotics and Intelligent Manufacturing Innovation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110169,China)Abstract:The analysis of underwater docking is a very complicated process.In addition to the impact force,the inter-action between the impact deformation and the flow disturbance should b
5、e considered.Based on this,this paper attempts tosimulate the docking process of AUV by virtual prototype software,verify the collision force during docking,determine thetransient structure field,and load it into the fluid field for two-way fluid-structure coupling simulation based on the systemdyna
6、mic grid.Through the analysis of this paper,more accurate DOCK deformation cloud,stress cloud,strain cloud and sys-tem fluid pressure cloud are obtained.This study can provide technical support for AUV underwater docking operation,andhas certain reference value for related research on underwater doc
7、king.Key words:fluid-structure interaction;bidirectional coupling;multi-body dynamics simulation;virtual prototype;underwater docking0引言自主式水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)是一种综合了多种船舶、机械、推进、计算机等先进技术的自主式无人潜器。近年来,因全球对海洋探测要求的不断提高,AUV被应用于水文观测、海洋监测、地质和生物调查等领域。但是由于AUV在水下作业中需要消耗大量能源且自身所能携带的能源有限,AUV每次能源
8、耗尽前必须返回水面工作台进行能源补充,这极大限制了AUV的海洋环境探测收稿日期:2 0 2 2-0 8-13基金项目:辽宁省教育厅科学研究经费项目(2 0 2 0 1540 1)作者简介:刁家宇(1998),男,硕士研究生,研究方向为水下机器人、计算机辅助工程。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.16.014能力,并消耗了大量人力、物力 2 。经过近几年相关领域的探索和研究,发现可以通过在水下建立对接DOCK 的方法解决此类问题 3-5。现阶段,国内外学者对AUV对接进行了一系列相关研究,赵国良等 6 研究了喇叭口式对接系统喇叭口剖面半径与初始中心
9、线偏移量对接驳过程的影响;Tao等 7 通过多体动力学分析软件对刚度系数、阻尼系数、初始速度、偏移角等因素单独进行研究,得到了以上因素对AUV接驳过程中碰撞力的影响。Meng70等 8 通过流体动力学仿真软件,研究了与捕捉杆式对接系统在捕获时与碰撞力有关的影响因素。Cheng等 91研究了双体之间水动力的相互作用,得到了2 个物体在不同间隙比、不同雷诺数、不同迎角、不同表面形状下的相互作用力。但是目前还没有对DOCK对接时进行水下综合特性分析的研究,尤其是没有通过双向流固耦合分析其特性研究,因此对DOCK对接时进行整体机构的精确特性分析具有一定意义。AUV和DOCK在水下的对接过程是一个极其复
10、杂的过程,这个过程既要考虑DOCK的变形情况对水流的扰流动影响,又要考虑水流流动对发生形变后DOCK的冲击影响,因此可以采用双向流固耦合的方法模拟外界条件,双向流固耦合可以通过系统动网格重构展示数字模型的变形情况。同时为了得到准确的瞬态结构场数据,采用接触碰撞法利用多体动力学软件对AUV与DOCK的对接过程进行虚拟仿真,确定碰撞载荷的大小。本文研究可为AUV水下对接操作提供技术支持,对水下对接的相关研究具有一定的参考价值。1相关设计模型1.1DOCK的数字模型常见的对接装置可以分为捕捉杆式对接系统、飞机坐落式对接系统和锥形罩式对接系统,现阶段研究最广泛的对接装置依然是基于喇叭口状的锥形导向罩D
11、OCK对接系统 10 。该类装置通常使用渐缩型的人口装置进行导向,使AUV进入预定的轨道完成对接。典型的锥形罩式对接系统有美国研发的REMUS AUV水下对接系统、哈尔滨工程大学研制的“海灵”号水下对接装置以及中国科学院沈阳自动化研究所、浙江大学、日本东京大学等相关机构研究的项目 。根据对以上锥形罩式对接装置的研究,本文设计并改进了一种新型锥形罩式DOCK,该DOCK可以通过锥形罩对AUV进行导向,通过对接爪与AUV进行对接,通过齿轮齿条对中机构对AUV进行固定,保证AUV的各个自由度都可以被限制,其新型DOCK的数组模型如图1所示。1.2AUV与DOCK接触碰撞的物理模型通常来讲,接触可以分
12、为法向接触和切向接触2种。法向接触是面对面的直接接触,其中又分为例如冲压的持续接触和例如碰撞的瞬时接触,而切向接触通常伴随着摩擦接触。AUV与DOCK的碰撞属于一种既包含瞬时碰撞的法向接触,又包含库伦摩擦的切向接触的综合接触。对于这种复杂接触,可以采用等效弹簧阻尼法分析AUV与DOCK发生对接碰撞时的舰船科学技术齿轮齿条对中机构DOCK锥形导向罩DOCK对接框架图1新型DOCK的数字模型Fig.1 A digital model of the new DOCK碰撞参数,其碰撞恢复系数为:V2-V1e=V10-V20式中:V2为碰撞后DOCK的速度;Vi为碰撞后AUV的速度;V20为碰撞前DOC
13、K的速度;V10为碰撞前AUV的速度。假设AUV接触曲率半径为r1,D O C K 的接触曲率半径为r2,考虑材料阻尼,根据Hunt和Grossley的研究 2-13 可以得到碰撞力公式为:F=ks+Do。其中:D=S,4r1r2k=3元(g1+02)Gi=元E;式中:S为AUV和DOCK的法向压人量;为AUV和DOCK的法向压人速度;D为阻尼系数;k为刚度;E;为AUV和DOCK的弹性模量(i=1,2);v;为AUV和DOCK的泊松比(i=1,2)。1.3流固耦合物理模型流固耦合指流体与固体之间的相互作用。流固耦合的基本方程为:MXa+Cxd+Kxd=Fd.式中:M0MMfsM9C=C00C
14、q第45卷对接爪AUV(1)(2)(3)1/2(4)r1+r2(5)(6)(7)(8)第45卷(.a=x.Fa=6)Xd=(10)式中:fs为流体与结构之间的作用;q为流体中的变量。虽然普通流固耦合可以满足大部分耦合要求,但是有些对于精度要求较高的耦合系统中,即需要考虑流体对物体产生的影响,又要考虑物体对流体产生的影响,这种考虑综合影响的耦合称作“双向”耦合,双向耦合将计算域分为流体域和瞬态结构域,并通过系统耦合连续地传递作用力,其中流固耦合界面满足的动力条件为:df=ds,I nTf=nTso式中:df为流体的位移;d,为结构的位移;Tf为流体的应力;T,为结构的应力。常见的双向耦合方法分为
15、直接耦合法和分离法,本文应用的是直接耦合法,直接将流体和固体的控制方程联立在一个矩阵中进行求解,计算原理为:(12)式中:Aff为流体的系统矩阵;X为待求解流体矩阵;Bf为流体外部作用力;Asf为结构的系统矩阵;X k 为待求解结构矩阵;B,为结构外部作用力;k为迭代的时间步数;Afs和Ass为流固耦合矩阵。2虚拟仿真2.1基于ADAMS的接触碰撞仿真ADAMS是MSC公司开发的多体动力学的虚拟样机仿真软件,是目前最权威的机械系统动力学仿真软件,被广泛应用于虚拟样机测试中,因此选择ADAMS软件进行模拟。2.1.1参数选取采用IMPACT冲击函数模型对AUV的对接进行研究,IMPACT定义碰撞
16、的广义函数为 13;Fn=koc+Cv。式中:Fn为法向接触力;k为接触刚度;S为穿透深度;C为力指数;v为相对速度。根据此模型可以发现,利用IMPACT定义碰撞需要知道接触力、接触刚刁家宇,等:基于系统耦合的水下DOCK综合特性分析KKfsK0K9,71度、穿透深度和力指数4个参数。(9)接触刚度的Hertz 理论计算14 公式为:1/2)1/2。k=3元(g1+02)r1+r2式中:R1、R2 为接触区域曲率半径;h1、h 2 为材料参数;E;为弹性模量;且hi=(i=1,2)。刚度大小元E与材料属性有关,刚度越大,积分越难求解。阻尼系数根据Lankarani等提出的修正迟滞阻尼系数计算式
17、为:3k(1-e2C=4u式中:e为弹性系数;n为非弹性弹簧力指数;u为速度。而ADAMS软件的官方帮助文件给出了一定的推(11)荐值,可以根据以上2 种方法选值。值得注意的是,在ADAMS的接触碰撞设置中,还需要设置最大阻尼系数Cmax,该数定义接触材料的阻尼属性,根据经验,该数通常为接触刚度的e-i(i=1,2,.)倍。力指数和材料的非线性程度有关,通常用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值,根据ADAMS软件的官方帮助文件可知,该数的范围在1 3内。对于金属材料,力指数通常可以取1.3 1.5,而对于橡胶材料,力指数通常可以取到2 3。渗透量为全阻尼时的穿透值,穿越值为0 时,阻尼系数为0
18、。在ADAMS软件中,可以运用三次STEP函数求解阻尼系数。渗透量与刚度成反相关,与力指数成正相关,该值仍然选自帮助文档。另外还需注意的是,接触碰撞还要考虑切向接触,切向接触中即需要考虑静摩擦系数,和动摩擦系数k,这2 个参数与材料的光滑程度有关。根据研究及其已知条件,可以确定仿真的所有参数,如表1所示。2.1.2对接仿真将DOCK进行简化,去除不必要的对接爪、齿轮齿条对中机构等部件,使之仅保留DOCK的骨架。通过对AUV施加初速度、牵引力约束,对DOCK施加固定约束,对AUV和DOCK施加碰撞约束,并测量碰撞力。在ADAMS中设置约束,如图2 所示。为了使仿真效果更接近真实情况,在初始状态(
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