[发明专利]高海况下水下拖曳系统运动响应的仿真计算方法

摘要

本发明涉及一种高海况下水下拖曳系统运动响应的仿真计算方法，包括以下步骤：首先构建拖缆控制方程；然后计算波浪干扰力并代入到拖缆控制方程中；而后进行边界条件的计算和初始条件计算；最后联立拖缆控制方程、边界条件计算，以及速度的微分定义v＝dx/dt，组成模拟海浪影响下拖缆参数计算公式；输入航行器的运行参数、海况条件和拖缆的参数，代入到计算公式，便得出拖缆的稳态缆型和张力的仿真数据和仿真曲线。本发明还提供了基于上述拆除装置的桥梁下放拆除施工方法。本发明利用线性波浪叠加法和谱分析原理，构建了与真实海洋环境极其接近的不规则波浪数据模型，为拖曳系统的诱饵模拟效果和水下航行器航行安全性评估提供借鉴意义。

主权项

1.一种高海况下水下拖曳系统运动响应的仿真计算方法，其特征在于包括以下步骤：1)拖缆控制方程的构建：取空间固定的笛卡尔坐标系o‑xyz，从自由端开始到拖点将拖缆离散为N段，共N+1个节点，定义欧拉角θ，为拖缆姿态角，对于拖缆上任意第i个节点，应用牛顿第二定律，得到拖缆的控制方程式中为该节点的加速度，M_i为质量矩阵，由第i个节点的惯性质量m_i和附加质量M_ai组成，表示为：M_i＝m_iI+M_aim_i＝(μ_i‑1/2l_i‑1/2+μ_i+1/2l_i+1/2)/2M_ai＝(M_ai‑1/2+M_ai+1/2)/2M_ai+1/2＝ρk_i+1/2l_i+1/2σ_i+1/2R_i+1/2M_ai‑1/2＝ρk_i‑1/2l_i‑1/2σ_i‑1/2R_i‑1/2式中I为三阶单位阵，μ、l、k、σ、ρ分别为拖缆单位长度的质量、节点长度、附加质量系数、横截面积和流体密度，下标i+1/2表示节点i和节点i+1间的物理量，下标i‑1/2的意义以此类推，F_i为作用于节点i上的所有外力，可表示为F_i＝ΔT_i+B_i+G_i+F_Di+F_wi，式中ΔT_i、B_i、G_i、F_Di、F_wi分别为作用在节点i上的张力、浮力、重力、流体阻力和波浪干扰力；2)计算波浪干扰力：采用海浪P‑M谱对海浪进行分析，采用线性波浪叠加法可得叠加波的速度势和波面方程为：式中下角标n代表第n个组成波的相关特征值，ε为介于0到2π之间的随机相位，M为波浪总数，以极值频率ω₀为中心，把频率范围划分成M个区间，间距为Δω_n＝ω_n‑ω_n1，取则波幅A_n为：k_n依据色散关系得到，ε_n由计算机随机产生，略去海流影响，则由该波浪引起的空间流场速度u_w和加速度a_w为：以此确定流场加速度对拖缆产生的作用力为：将其代入到步骤1)的外力计算公式中，得到完整的拖缆控制方程；3)边界条件的计算：拖缆首端边界条件为运动学连续性条件，它和水下航行器的位置速度始终一致，即：和式中x_s、y_s、z_s、u_s、v_s、w_s分别为航行器在拖缆首端的坐标和速度，它们是已知的时间函数，拖缆自由端边界则以没有拖体的自由端为一节点，直接用拖缆的控制方程式中：4)初始条件计算：包括拖缆初始时刻在每一节点的位置坐标、速度，最终以以下公式计算：和其中，所有右侧量均为给定值，i＝N为给定的首端边界条件，航行器以某一速度匀速直航时拖缆的稳定状态用作初始条件；5)建立完整的拖缆参数计算公式：联立步骤1)和步骤2)构建的完整的拖缆控制方程、边界条件计算，以及速度的微分定义v＝dx/dt，组成一个完整的一阶微分方程组，即为在模拟海浪影响下拖缆参数的完整计算公式，共有6N个方程：采用四阶龙格库塔方法求解此方程组；6)输入航行器的运行参数、海况条件和拖缆的参数，代入到步骤5)的计算公式模型中求解，得出拖缆的稳态缆型和张力的仿真数据和仿真曲线。