本發(fā)明涉及數值仿真技術領域，特別涉及一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法。

背景技術：

探索和開發(fā)海洋具有著重要的戰(zhàn)略意義?；诖耍Ｑ笏聶C器人應運而生，在海洋領域發(fā)揮著重要的作用。隨著海洋水下機器人的不斷發(fā)展，其應用領域也不斷擴展，在海洋世界研究與開發(fā)、探索未知領域、科學實踐考察和水下工程實施等等方面都得到前所未有的突破。民用方面，海洋水下機器人主要被用來實現海洋環(huán)境數據監(jiān)測和海底資源探索等方面。軍事方面，海洋水下機器人作為無人武器系統(tǒng)的重要組成部分，能實現長距離水下空間自主周圍環(huán)境勘測、目標識別跟蹤、情報收集傳輸，極大程度拓寬了水面艦船或潛艇的協(xié)同作戰(zhàn)空間，使得海洋水下機器人成為了未來水下戰(zhàn)爭中執(zhí)行特殊作戰(zhàn)任務的重要手段之一。

開架式海洋機器人是海洋機器人中的重要組成部分，主要用來完成海洋水下操作任務及觀察任務。由于開架式海洋機器人的布局具有開放性，因此海洋機器人的結構形式種類多，外部特征不規(guī)則，因此很難采用經驗公式進行水動力參數估計，需要進行多次的水池拖拽試驗得到速度及相應的阻力值，來對機器人的水動力參數進行計算。通常開架式海洋機器人要進行數十次水池拖拽試驗，因此試驗周期長，同時試驗成本很高。數值仿真技術是一項通過計算機建模及運算來對物理現象進行準確模擬。目前，針對開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真技術尚為空白，即目前還沒有相關技術可實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

技術實現要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，該方法通過分析開架式海洋機器人數值模型和水池數值模型的參數設置，模擬實際拖曳試驗過程，避免了實際試驗中數十次水池拖曳操作，降低了試驗周期和試驗成本。

為了實現上述目的，本發(fā)明的實施例提出了一種開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，包括以下步驟：建立開架式海洋機器人三維數值模型；建立試驗水池數值模型，并對流體賦予不同的屬性及運動學參數來實現對試驗水池的數值仿真；建立數值裝配模型，并將所述開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝；設定水池拖拽試驗的數值仿真參數；執(zhí)行水池拖拽試驗數值仿真過程，得到不同水流速度以及水流流動方向下的阻力值，以實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

另外，根據本發(fā)明上述實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法還可以具有如下附加的技術特征：

在一些示例中，所述建立開架式海洋機器人三維數值模型，進一步包括：僅建立所述開架式海洋機器人的外部特征數值模型，并通過開架式海洋機器人的實體數值模型替代其內部模型。

在一些示例中，所述開架式海洋機器人在x軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的長度，所述開架式海洋機器人在y軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的寬度，所述開架式海洋機器人在z軸方向的最大尺寸定義為所述開架式海洋機器人的高度。

在一些示例中，通過在流體計算軟件中建立一塊流體域，得到所述試驗水池數值模型。

在一些示例中，所述流體域在x軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的長度，所述流體域在y軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的寬度，所述流體域在z軸方向的最大尺寸定義為所述流體域的高度。

在一些示例中，所述流體域的尺寸根據開架式海洋機器人的外部特征進行建立。

在一些示例中，所述流體域的長度為所述開架式海洋機器人長度的5倍，所述流體域的寬度為所述開架式海洋機器人寬度的6倍，所述流體域的高度為所述開架式海洋機器人高度的6倍。

在一些示例中，所述將所述開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝，進一步包括：將所述開架式海洋機器人三維數值模型置于所述試驗水池數值模型的中心，并且所述開架式海洋機器人三維數值模型的x、y和z軸對應平行于所述試驗水池數值模型的x、y與z軸。

在一些示例中，所述設定水池拖拽試驗的數值仿真參數，進一步包括：根據試驗水池的實際物理參數，進行流體密度設置、動力粘度系數設置、流體流入速度設置以及流體流出速度設置。

在一些示例中，在所述水池拖拽試驗數值仿真過程中，根據相對速度原理，將所述開架式海洋機器人的運動速度轉化為相應的水池數值模型中的水流速度，且所述開架式海洋機器人保持靜止。

根據本發(fā)明實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，利用數值仿真技術模擬開架式海洋機器人在水池下的拖拽試驗，通過分析開架式海洋機器人數值模型和水池數值模型的參數設置，得到不同速度及相應的阻力值分布情況，避免了實際試驗中數十次水池拖曳操作，降低了試驗周期和試驗成本。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據本發(fā)明實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法的流程圖；

圖2是根據本發(fā)明一個實施例的開架式海洋機器人三維數值模型的示意圖；

圖3是根據本發(fā)明一個實施例的試驗水池數值模型的示意圖；

圖4是根據本發(fā)明一個實施例的試驗水池數值模型與開架式海洋機器人數值模型的裝配圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

以下結合附圖描述根據本發(fā)明實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法。

圖1是根據本發(fā)明一個實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法的流程圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟s1：建立開架式海洋機器人三維數值模型。

具體地，可根據開架式海洋機器人的實際結構，建立簡化的開架式海洋機器人的三維數值模型。由于水動力參數只與外部特征相關，因此為了降低計算收斂時間，在本發(fā)明的一個實施例中，僅建立開架式海洋機器人的外部特征數值模型，并通過開架式海洋機器人的實體數值模型替代其內部模型。作為具體的示例，建立的一類開架式海洋機器人三維數值模型例如圖2所示。

其中，開架式海洋機器人在x軸方向的最大尺寸定義為開架式海洋機器人的長度，開架式海洋機器人在y軸方向的最大尺寸定義為開架式海洋機器人的寬度，開架式海洋機器人在z軸方向的最大尺寸定義為開架式海洋機器人的高度。

步驟s2：建立試驗水池數值模型，并對流體賦予不同的屬性及運動學參數來實現對試驗水池的數值仿真。

具體地，在步驟s2中，通過在流體計算軟件中建立一塊流體域，進而得到試驗水池數值模型，例如圖3所示。

其中，流體域在x軸方向的最大尺寸定義為流體域的長度，流體域在y軸方向的最大尺寸定義為流體域的寬度，流體域在z軸方向的最大尺寸定義為流體域的高度。

更為具體地，流體域的尺寸需要根據開架式海洋機器人的外部特征進行建立。例如，流體域的長度為開架式海洋機器人長度的5倍，流體域的寬度為開架式海洋機器人寬度的6倍，流體域的高度為開架式海洋機器人高度的6倍。

在本發(fā)明的一個實施例中，流體域的長度為開架式海洋機器人長度的5倍，流體域的寬度為開架式海洋機器人寬度的6倍，流體域的高度為開架式海洋機器人高度的6倍。

步驟s3：建立數值裝配模型，并將開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝。

具體地，在步驟s3中，將開架式海洋機器人三維數值模型與試驗水池數值模型進行組裝，進一步包括(即組裝過程)：將開架式海洋機器人三維數值模型置于試驗水池數值模型的中心，并且開架式海洋機器人三維數值模型的x、y和z軸對應平行于試驗水池數值模型的x、y與z軸，例如圖4所示。

步驟s4：設定水池拖拽試驗的數值仿真參數。

具體地，在步驟s4中，設定水池拖拽試驗的數值仿真參數，進一步包括：根據試驗水池的實際物理參數，進行流體密度設置、動力粘度系數設置、流體流入速度設置以及流體流出速度設置等。

步驟s5：執(zhí)行水池拖拽試驗數值仿真過程，得到不同水流速度以及水流流動方向下的阻力值，以實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

具體地，水池拖拽試驗的數值仿真過程與真實的水池拖拽試驗的區(qū)別在于，真實的水池試驗是開架式海洋機器人在水池中勻速運動，水池中的水無初始流動，而在水池拖拽試驗數值仿真過程中，是根據相對速度原理，將開架式海洋機器人的運動速度轉化為相應的水池數值模型中的水流速度，且開架式海洋機器人保持靜止。進而，根據試驗需求，設置相應水流速度以及水流流動方向，運行流體計算軟件，即可以得到相應的阻力值，將相應的水流速度、水流方向及數值仿真得到的水流阻力作為試驗記錄進行保存，而后根據速度相對原理得到對應的開架式海洋機器人的運動速度、運動方向及機器人受到的阻力，從而實現開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真。

綜上，根據本發(fā)明實施例的開架式海洋機器人水池拖拽試驗的數值仿真實現方法，利用數值仿真技術模擬開架式海洋機器人在水池下的拖拽試驗，通過分析開架式海洋機器人數值模型和水池數值模型的參數設置，得到不同速度及相應的阻力值分布情況，避免了實際試驗中數十次水池拖曳操作，降低了試驗周期和試驗成本。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同限定。