[发明专利]拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法

说明书

本发明涉及海洋工程船载拖曳领域，特别是一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法。其包括以下步骤：拖缆离散、耦合三维建模、数值模拟、拖曳式水下航行器的动力学模型建立及求解、集中质量点的平衡方程建立及求解、深度预测。基于集中质量法和计算流体动力学对拖曳式传感器阵列系统的水动力特性和深度预测进行研究，通过建立和求解稳态的动力学模型，推导出传感器集成模块和拖缆在水下的深度和姿态，为拖曳式传感器阵列系统的设计与应用奠定了基础。

技术领域

本发明涉及海洋工程船载拖曳领域，特别是一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法。

背景技术

拖曳系统由于高效率和高可靠性在海洋探测中发挥着重要作用。拖曳式传感器阵列系统主要包括母船、绞车、拖缆、传感器集成模块和拖曳式水下航行器，布置在母船后的甲板上进行作业，具有强非线性和时变性特点。拖缆、模块和拖曳式水下航行器的水动力特性对整个系统的动态响应及深度控制有显著影响。

为了掌握拖曳系统在不同工况下的运动特性，众多科研人员开展了广泛的研究。但是针对拖曳式传感器阵列系统的水动力特性研究并不多见，且没有通用的模型描述拖缆长度与入水深度的关系。因此，提出一种方法预测拖曳式传感器阵列系统的深度和水下姿态，对水下探测及操纵具有指导意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法，基于集中质量法和计算流体动力学对拖曳式传感器阵列系统的水动力特性和深度预测进行研究，通过建立和求解稳态的动力学模型，推导出传感器集成模块和拖缆在水下的深度和姿态，为拖曳式传感器阵列系统的设计与应用奠定了基础。

本发明的技术方案是：一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法，其中，包括以下步骤，

S1.将柔性拖缆离散为数段刚性连杆，圆柱形的拖缆具有均匀分布的密度和质量，设相邻两刚性连杆之间的连接点为节点，各刚性连杆的中部为集中质量点；

S2.对传感器集成模块与数段拖缆进行耦合三维建模，传感器集成模块设置在各刚性连杆的集中质量点处，把传感器集成模块作为集中质量点；

S3.根据步骤S2中建立的三维模型，完成网格划分并进行数值模拟，拖缆与水平方向之间的夹角在0到90°范围内、且拖缆采用不同的速度前进时，计算作用在各集中质量点上的法向力和切向力，推导出对应的阻力和升力，建立水动力特性数值模拟的数据集；

S4.将拖曳式水下航行器作为末端集中质量点和节点，建立拖曳式水下航行器的动力学模型，并根据步骤S3中的数值模拟结果进行求解，数值模拟时拖曳式水下航行器始终处于零攻角姿态；

S5.采用递推法自下而上依次建立每个刚性连杆的集中质量点的平衡方程，采用假设和逐步逼近的方法计算每段刚性连杆与水平面的夹角；

S6.推导出每个节点的坐标并拟合拖缆的位姿，预测拖曳式传感器阵列系统的深度分布。

本发明中，步骤S1中，根据模块的安装距离确定离散长度，离散后的刚性连杆的长度相同或部分相同。

步骤S2中，基于SolidWorks进行三维建模；

所述传感器集成模块为流线型，传感器集成模块的外壳采用上下分体式，传感器包裹在外壳的内部，壳体上设计水道，模块通过不锈钢座安装到拖缆上；

所述拖曳式水下航行器的尾部设有导流翼。

步骤S3中，数值模拟的边界条件设置为速度入口、压力出口，拖缆、传感器集成模块和拖曳式水下航行器均为无滑移的静止壁面，流体介质为海水，海水的密度为1025kg/m³，且海水密度均匀。