海洋勘探拖曳系统运动仿真和控制技术的研究.pdf

摘要 水下拖曳系统作为一种有效的水下探测平台，广泛应用于海洋资源勘探、地球 物理学测量及军事等诸多领域，为各种海洋探索活动提供了有效的途径，拖曳系统 的研究已成为现代海洋开发的重要课题之一。在拖曳系统设计应用过程中，准确预 报拖曳系统的性能及运动规律是一个重要目标，日益受到人们的重视，越来越多的 学者和研究人员致力干这方面的研究。由于拖曳系统是一个技术密集度高，涉及学 科面广的复杂系统，尽管经历了半个多世纪的发展，目前仍有许多运动和控制问题 需要解决。 本文以海洋勘探拖曳系统作为研究对象，拟从设计观点出发，在前人研究成果 的基础上，对海洋勘探拖曳系统进行细致而深入的研究，建立了一个比较通用完善 的仿真系统，通过数值仿真来研究拖曳系统的各种稳态、动态运动；并在此基础上， 对拖缆深度控制进行初步的探讨。希望能够准确地预报系统的响应和运动规律，保 证拖曳系统在有各种干扰的海洋环境中稳定地运行，为拖曳系统的设计与应用提供 理论依据。本文的主要工作和研究结果可以归纳为以下几个方面： 本文首先全面回顾了现代拖曳系统的应用及发展，对各种拖曳系统的研究方法 作了详细的介绍，指出其各自的优缺点及适用范围。在此基础上决定采用(嵌套) 二分法、集中质量法来建立本文的拖曳系统稳态运动求解方法和动态运动数学模型。 同时对以往关于水下拖缆流体阻力的研究结果进行了汇总，在附录中给出以供参考。 拖曳系统的稳态运动问题一般可以转换为两点边值问题，如拖缆上某一位置的 状态值可以通过其它方法事先得到，则稳态问题可转化为更为简单的初始值问题直 接进行积分求解。对于各种不同的拖曳系统和拖曳形式，本文计入实际海洋环境中 存在的空间不均匀海流的影响，提出了一种稳态运动数值求解方法：首先将拖缆的 边界条件转化为一组关于初始值的隐式非线性方程(组)，其中初始值可以是其自身 也可以是其它变量的隐式函数，然后将传统二分法以嵌套形式扩展N-维、三维及 更高维的空间，联立龙格-库塔积分等数值方法进行数值求解，并提议采用动态收敛 判据，以提高计算效率。同传统的打靶法相比，本文的方法尽管在计算效率上可能 有所偏低，但具有更为广泛的适用性，并可以反过来根据拖曳稳态运行要求来选定 系统的各项参数，这对于拖曳系统的设计具有直接的应用价值。 对于拖曳系统的动态运动，从扩展性的角度考虑，本文采用集中质量法来建立 拖缆的动态运动数学模型，将拖缆在空间上离散为一系列节点，此时拖缆的偏微分 运动控制方程转变为一组常微分运动方程，对其采用龙格库塔积分进行数值求解。 其中较为全面地计及了水面低频波浪、弯矩、拖缆一海底接触等情况下的一系列影 响；建立缆载定深控制器、水下拖体／尾拖船的运动模型，建立水下拖缆与拖体／尾 拖船间的运动耦合边界条件及动力耦合边界条件；并在集中质量法的基础上实现了 拖缆收放过程的运动模拟，给出了具体的求解过程。为提高计算效率并保证计算稳 定，本文参考双曲型偏微分方程差分求解方法，通过数值稳定性分析给出了一个确 定仿真计算时间步长的方法。 上海交通太学博士学位论文 在拖曳系统运动数学模型的基础上编制了数值仿真系统TowSimu，以研究拖曳 系统的各种运动响应。通过和已证实的仿真计算结果(DEZoysa’s system) ship．buggy 和已有的试验数据(Rispinl980)进行对比仿真计算，验证了本文的数学模型和求解方 法的可靠性。 通过数值仿真详细探讨了拖缆各个参数及环境因素对拖缆稳态运动的影响，包 括拖缆弹性、阻力系数、柏松比、拖曳速度，拖缆密度、流体密度以及均匀和非均 匀海流等，给出了规律性的结论。仿真结果表明，拖缆弹性、柏松比对拖缆的影响 很小，基本上可以忽略不计；而阻力系数、拖曳速度、拖缆密度的影响比较显著， 其中拖曳深度主要取决于法向阻力系数、拖曳速度和拖缆密度，而拖缆张力则主要 取决于切向阻力系数和拖曳速度；均匀海流相当于变相的改变了拖曳速度，而非均 匀海流的影响则和海流的具体形式有着密切的关系。 针对海洋勘探拖曳系统自身的特点和形式，仿真研究了自由拖缆系统和带有尾 拖船的拖曳系统在一些典型情况下的运动。仿真发现，零浮力的阵列缆近水面运动 时在低频波浪的作用下，不论浪向角如何均有不同程度的上浮；水面拖船的高频扰 动在