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1.1背景
當(dāng)水下航行器在水下深處作業(yè)時(shí)，它們的深度會(huì)使
波浪對(duì)表面的影響可以忽略不計(jì)。因此，它們不會(huì)承受波浪引起的荷載。然而，當(dāng)水下航行器執(zhí)行諸如
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用潛望鏡，通過(guò)淺海航道，它們必須運(yùn)行
并且因此經(jīng)歷波浪引起的載荷。波浪引起的荷載
可能會(huì)限制水下航行器在接近時(shí)的作戰(zhàn)能力和有效性
表面。這是因?yàn)椴ɡ艘鸬妮d荷會(huì)導(dǎo)致不希望的橫搖、偏航和俯仰
當(dāng)接近表面時(shí)，難以保持一致的深度。
波浪引起的荷載具有線性和非線性分量
不規(guī)則海道中的波浪分量。每個(gè)波分量單獨(dú)產(chǎn)生
線性力。這些線性載荷發(fā)生在每個(gè)波的相遇頻率處。這意味著
盡管這些載荷比非線性載荷大，但它們發(fā)生的時(shí)間要短得多
時(shí)間尺度。該時(shí)間尺度通常太短，大型水下航行器無(wú)法響應(yīng)，
因此，對(duì)于小型水下航行器來(lái)說(shuō)，它們更值得關(guān)注。非線性荷載來(lái)自
波之間的相互作用，包括波與自身的相互作用
相互作用波的頻率。因此，我們可以得到平均值（0 Hz頻率）
非線性負(fù)載和來(lái)自
波浪與自身相互作用。我們也會(huì)在每個(gè)差異處得到一個(gè)非線性負(fù)載
海道中所有底層波浪頻率的總和。這些負(fù)載是
比線性模型小得多，但發(fā)生在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上；波浪與
幾乎相同的頻率將產(chǎn)生一個(gè)非線性力
時(shí)期因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些負(fù)載對(duì)于較大的
水下機(jī)器人，因?yàn)樗鼈兊目刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間很慢。這些載荷
對(duì)于小型車(chē)輛來(lái)說(shuō)通常可以忽略不計(jì)，并且它們的控制系統(tǒng)通常可以快速響應(yīng)
足以應(yīng)付他們。
1.
1.2動(dòng)機(jī)
了解水下航行器上的線性和非線性波浪荷載，以及
它們對(duì)車(chē)輛性能的影響，將使未來(lái)的車(chē)輛設(shè)計(jì)能夠解決這些負(fù)載
在設(shè)計(jì)過(guò)程早期，提高水下航行器的運(yùn)行可靠性
以及有效性。這將使水下航行器完全能夠進(jìn)行
在水面附近進(jìn)行諸如吸氣和潛行等操作。使用潛望鏡時(shí)
水下航行器在一定深度的水面附近吸氣時(shí)，由于復(fù)雜的海況，可能會(huì)受到波浪引起的力和力矩，從而產(chǎn)生吸力效應(yīng)
將水下航行器拖到水面。這會(huì)增加車(chē)輛的可能性
拉削表面并被檢測(cè)[1]。
歷史上，對(duì)非線性波浪荷載的關(guān)注較少。目前，
更好地理解線性負(fù)載，并且影響負(fù)載的參數(shù)是已知的。
載荷建模足夠精確，包括分析解的存在
用于大多數(shù)工程用途的旋轉(zhuǎn)體形狀。然而，非線性負(fù)載是
不太了解。預(yù)測(cè)它們需要從
無(wú)粘性流動(dòng)。這些解決方案需要大量的計(jì)算工作。
1.3以前的工作
過(guò)去進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究
全淹沒(méi)結(jié)構(gòu)上的非線性波浪力和力矩。本節(jié)
首先總結(jié)了實(shí)驗(yàn)研究，然后是數(shù)值研究。
Crossland[1]進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以了解波浪引起的荷載
對(duì)具有各種速度、方向和海洋的半捕獲式水下航行器的影響
州。因此，Crossland[1]證明
垂直波浪引起的載荷可能再次影響未來(lái)水下航行器的設(shè)計(jì)。
Khalil[2]的實(shí)驗(yàn)研究集中在長(zhǎng)
平行于波浪浸沒(méi)在拖曳槽中的水平圓柱結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)
通過(guò)使用產(chǎn)生長(zhǎng)度為1.57和
3.14 m在圓形和矩形圓柱體上行駛，以預(yù)測(cè)沖擊
這些不同幾何形狀對(duì)波浪荷載的影響[2]。在此期間
2.
試驗(yàn)，施加在水下的水平和垂直波浪誘導(dǎo)力
使用多分量稱(chēng)重傳感器測(cè)量不同深度的圓柱體，然后
評(píng)估并與先前研究中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。哈利勒的主要發(fā)現(xiàn)是
非線性波浪力的發(fā)展主要是由波浪在后面的破裂引起的
水面附近的浸沒(méi)圓柱。破浪是否定的原因非線性波浪力的發(fā)展主要是由波浪在后面的破裂引起的
水面附近的浸沒(méi)圓柱。波浪破碎是負(fù)漂移的原因
作用在浸沒(méi)圓柱體上的力，因?yàn)楫?dāng)
浸沒(méi)深度增加[2]。
Whitmer的[3]研究是預(yù)測(cè)波浪力和力矩的實(shí)驗(yàn)研究
在水面附近的水下物體上。在他的研究中，線性疊加的適用性是
研究以估計(jì)水下結(jié)構(gòu)物上的波浪誘導(dǎo)力和力矩[3]。
作者研究了預(yù)測(cè)單個(gè)線性阻力和垂直力的能力
在復(fù)雜的雙組分海道中。通過(guò)解決Cummins的
方程1.1、1.2和1.3，并將它們與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較
這項(xiàng)研究大體上檢驗(yàn)了它們的準(zhǔn)確性。
𝐹𝑥 = −
𝜋
2.
𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑏0個(gè)(𝜔𝑒𝑡) (1.1)
𝐹𝑧 = −𝜋𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑏0罪(𝜔𝑒𝑡) (1.2)
𝑀𝑦 = −
𝜋
2.
𝜌𝑔𝐴𝑜𝐿ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑎1個(gè)(𝜔𝑒𝑡) (1.3)
Cummins[4]、Whitmer[3]、[5]和Hermsen[6]的研究中對(duì)Cummins方程關(guān)于線性波浪力和力矩的擴(kuò)展討論。Whitmer[3]得出結(jié)論，對(duì)于所研究的波高和頻率，線性疊加
是預(yù)測(cè)淺水區(qū)波浪力和力矩的可行分析
結(jié)構(gòu)。
Klamo等人[7]和Turner等人[8]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)關(guān)注涌浪力、垂蕩力和縱搖，研究了完全浸沒(méi)的物體上的波浪荷載
在牽引箱中的瞬間。他們的研究集中在對(duì)線性一階模型的建模上
3.
在評(píng)估分析解的準(zhǔn)確性時(shí)，波浪對(duì)身體產(chǎn)生的力。
研究確定了分析解決方案中的理論假設(shè)，然后進(jìn)行了研究
準(zhǔn)確性評(píng)估期間這些假設(shè)的重要性。他們使用了方程式
卡明斯（Cummins）[4]推導(dǎo)出的“一個(gè)任意的、細(xì)長(zhǎng)的、淹沒(méi)在水下的旋轉(zhuǎn)體”
研究一階線性涌浪力、垂蕩力和
俯仰力矩。這兩項(xiàng)研究都只研究了零速度情況和向下傳播的波浪
身體的縱軸。他們的研究得出結(jié)論，當(dāng)波長(zhǎng)
大于體長(zhǎng)，解析解可以精確預(yù)測(cè)波浪引起的
垂蕩力和涌浪力。他們發(fā)現(xiàn)，解析俯仰力矩解
精度等級(jí)。
Klamo等人的后續(xù)研究[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了
橫截面幾何形狀對(duì)
水面附近的水下航行器。他們的實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重于測(cè)量
三種不同幾何截面上的波浪荷載和力矩
具有半球形端蓋的主體。這些主體，一個(gè)方形橫截面圓柱體、一個(gè)水平矩形和一個(gè)垂直矩形，其縱橫比分別為1、4和1/4。
他們?cè)谝粋�(gè)具有造波能力的拖曳艙中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。他們的
調(diào)查得出的結(jié)論是，關(guān)于
矩形對(duì)線性垂蕩力的縱橫比與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致
調(diào)查結(jié)果。他們還發(fā)現(xiàn)，載荷與矩形的形狀成正比
比率[9]。
Cho等人[10]進(jìn)行了約束模型實(shí)驗(yàn)，以分析X平面潛艇的
機(jī)動(dòng)性和靈活性。為了確定潛艇的機(jī)動(dòng)系數(shù)
進(jìn)行了各種機(jī)制的圈養(yǎng)模型實(shí)驗(yàn)，包括水平和
然后使用從
執(zhí)行機(jī)動(dòng)模擬的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。Cho等人[10]證明，CFD模擬可用于產(chǎn)生可靠的X面潛艇運(yùn)動(dòng)
系數(shù)。這些系數(shù)可用于機(jī)動(dòng)仿真和算法
以增強(qiáng)未來(lái)的水下航行器設(shè)計(jì)。
其中一項(xiàng)數(shù)值研究是由Hayatdavoodi和Ertekin進(jìn)行的
使用“非線性和非穩(wěn)態(tài)Green Naghdi方程（I級(jí)）”進(jìn)行參數(shù)分析
4.
施加在水平面底部和頂部的非線性波浪荷載的近似值
以及浸沒(méi)在淺水中的固定平板[11]。作者首先討論了
適用于水下結(jié)構(gòu)物上非線性波浪誘導(dǎo)力的理論，以及
然后解釋了G-N理論在非線性波浪力中的應(yīng)用
淺水中的水下結(jié)構(gòu)。級(jí)別中使用的組件的定義
I方程1.4和1.5，可在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤獨(dú)的”
以下G-N方程（I級(jí)）的示例
在Ertekin[12]中。還有三維G-N方程可以在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤獨(dú)的”
以下G-N方程（I級(jí)）的示例
在Ertekin[12]中。Ertekin等人還討論了三維G-N方程
等[13]。
𝜂,𝑡 + (ℎ + 𝜂 − 𝛼)𝑢𝑥 = 𝛼𝑡 (1.4)
𝑢¤ + 𝑔𝜂𝑥 +
𝑝ˆ𝑥
𝜌
= −
1.
6.
[2𝜂 + 𝛼]𝑥𝛼¥ + [4𝜂 − 𝛼]𝑥𝜂¥ + (ℎ + 𝜂 − 𝛼) [ ¥𝛼 + 2.𝜂¥]𝑥 (1.5)
在本研究中，該領(lǐng)域被劃分為四個(gè)區(qū)域，以檢查G-N的應(yīng)用
每個(gè)方程[11]。Hayatdavoodi和Ertekin開(kāi)發(fā)了圖1.1，以解決
整個(gè)域。
圖1.1。非線性波在水平浸沒(méi)板上通過(guò)四個(gè)區(qū)域的示意圖。資料來(lái)源：[11]。
Hayatdavoodi和Ertekin的數(shù)值研究證明了非線性波浪誘導(dǎo)力
可以通過(guò)求解G-N來(lái)計(jì)算浸沒(méi)平板的底部和頂部
方程。這項(xiàng)研究的意義可以補(bǔ)充各種實(shí)驗(yàn)
5.
研究淺水結(jié)構(gòu)上的非線性力。
1.4目標(biāo)和意義
本論文的主要目的是生成一個(gè)輪廓形式的數(shù)學(xué)模型
全淹沒(méi)波浪荷載非線性分量預(yù)測(cè)圖
身體測(cè)量了三種不同的載荷，垂蕩力、涌浪力和俯仰力矩
并作為兩個(gè)基礎(chǔ)波的波高和波長(zhǎng)的函數(shù)進(jìn)行了研究
構(gòu)成波浪環(huán)境。本論文還旨在實(shí)現(xiàn)三個(gè)子目標(biāo)：
（1） 開(kāi)發(fā)具有波1和波2波長(zhǎng)的精細(xì)分辨率的圖；(2)
通過(guò)進(jìn)行更多重復(fù)，更好地理解地圖中的不確定性
試驗(yàn)條件；（3） 能夠檢查波浪高度對(duì)地圖的影響。本論文
基于Hermsen[6]的研究并擴(kuò)展了參數(shù)空間。
本研究的意義在于支持基于模型的系統(tǒng)工程工具
用于設(shè)計(jì)未來(lái)的水下運(yùn)載器，以確保運(yùn)載器的性能和任務(wù)
有效性滿(mǎn)足要求。
本文開(kāi)發(fā)的等高線圖數(shù)學(xué)模型可用于捕捉
非線性分量隨所經(jīng)歷的特定波浪環(huán)境而變化
通過(guò)完全浸沒(méi)的車(chē)輛。它也可以用于基于模型的系統(tǒng)工程
（MBSE）方法用于民用和國(guó)防社區(qū)的未來(lái)設(shè)計(jì)。總體而言
該研究將有利于海軍使用水下運(yùn)載工具
國(guó)防部（DOD）和其他民用工程團(tuán)體。結(jié)果將提供
更好地理解影響水下的非線性力和力矩
車(chē)輛性能和任務(wù)效率。
6.
第2章：
儀表和傳感器
本章介紹了用于動(dòng)態(tài)驗(yàn)證和
實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)行。有兩種不同類(lèi)型的傳感器用于在
測(cè)試和許多儀器為傳感器供電并從中收集信號(hào)。
本章將首先介紹傳感器，然后介紹支持儀器。最后
有顯示整個(gè)組件組件的圖形表示。
2.1稱(chēng)重傳感器
本研究使用了先進(jìn)機(jī)械技術(shù)股份有限公司（AMTI）UDW3防水材料
應(yīng)變計(jì)測(cè)壓元件，用于測(cè)量身體上的三個(gè)感興趣的力和力矩。
稱(chēng)重傳感器充油，其結(jié)構(gòu)由熱處理不銹鋼制成。它
內(nèi)置壓力囊，平衡稱(chēng)重傳感器的內(nèi)部和外部壓力。
因此，即使它被淹沒(méi)到一定深度，精確的力和力矩讀數(shù)也是
可能的稱(chēng)重傳感器可以使用四個(gè)1/4“-20螺紋連接到其他硬件上
設(shè)備兩端的孔。圖2.1描述了UDW3稱(chēng)重傳感器的圖片。圖2.2
顯示了UDW3稱(chēng)重傳感器尺寸的草圖。有關(guān)稱(chēng)重傳感器的更多信息
可以在AMTI的網(wǎng)站上找到各種負(fù)載能力[14]。
圖2.1：。UDW3稱(chēng)重傳感器。
7.
圖2.2。UDW3稱(chēng)重傳感器尺寸。資料來(lái)源：[14]。
2.2 Senix聲學(xué)探頭
實(shí)驗(yàn)裝置使用超聲波探頭進(jìn)行兩種不同的距離測(cè)量。
超聲波探頭的工作原理是發(fā)出聲波脈沖，然后測(cè)量到達(dá)
反射脈沖的返回。這段時(shí)間被轉(zhuǎn)化為一段距離，假設(shè)
介質(zhì)是空氣。具體而言，我們使用了SENIX ToughSonic 14探頭（型號(hào)：TSPC30S1-485），其工作范圍為4英寸至168英寸。圖2.3描述了
ToughSonic 14探頭。探頭的第一次應(yīng)用是測(cè)量波浪高度
通過(guò)將四個(gè)探頭從牽引箱上方指向水面。通過(guò)刪除
測(cè)試前測(cè)得的靜水距離，測(cè)試運(yùn)行期間測(cè)得的距離
轉(zhuǎn)換為波浪高程。探針的第二次應(yīng)用是驗(yàn)證
造波楔du的運(yùn)動(dòng) |
