沿底定深拖曳系统运动仿真

吴书广，徐晶晶

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

沿底定深拖曳系统运动仿真

吴书广，徐晶晶

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

主要研究分析沿底定深拖曳系统的拖体机动性，通过建立沿底定深拖曳系统的数学模型，采用运动仿真计算分析的方法，验证了沿底定深拖曳系统有足够的定深能力和避障能力，但在实际应用中还需要采取辅助手段来提高避障高度。

沿底定深;拖曳系统;机动性;运动仿真

0 引言

现代锚雷向大深度和短系索方向发展，锚雷布深从几米发展到几百米，越来越深，系索从几百米到几米越来越短。因而，短距离沿海底定深的沿底接触扫雷具就成了接触扫雷具的一个重要发展方向。沿底定深拖曳系统是沿底接触扫雷具的基本组成部分，因此需对沿底拖曳系统的拖体机动性进行研究，拖体机动性包括沿底定深能力和爬坡避障能力。在此系统中定深器不仅要有足够的定深能力以达到沿底定深高度，还要在遇到海底障碍物时拥有一定的爬坡能力以翻越障碍。为防止发生碰撞损坏拖体，需对拖曳系统的爬坡避障能力进行研究。

1 拖曳系统数学模型

1.1 拖缆数学模型

根据文献［1］，缆索模型为:

其中，变量矩阵为y=(T UtUnUbθ φ)T;系数矩阵为:

1.2 拖体六自由度运动方程

本文的拖体运动方程是基于“准定常运动”假设而建立的。所谓“准定常运动”，是指以速度和加速度为标志的物体运动状态。或者说，以无因次值表示的物体运动速度对时间的所有高阶导数都比运动速度和加速度小得多。这种运动假定加速度随时间的变化率很小，它的极限状态就是恒定加速度的运动。可以证明，在流体中，作准定常运动的物体，所受到的水动力只与运动的当时状态(即瞬时的速度和加速度)有关，而与运动的历程无关。这一结论大大简化了拖体水动力的确定。

水下拖体在海洋中最一般的运动方式是六自由度空间运动，这6个自由度分别是纵向、横向、垂向、横倾、纵倾和偏航。拖体在海洋中运动时主要受到重力与浮力、拖缆拉力、惯性类水动力、粘性类水动力的作用。综合拖体的受力分析与拖体平面运动的一般方程，可得到六自由度空间运动方程如下:

1.3 拖体运动方程的求解方法

在拖曳系统运动过程中，拖缆与拖体是相互作用、相互影响的。拖缆提供张力拖带着拖体向前运动，反过来拖体的阻力也影响了拖缆的运动。

本文基于对拖曳系统整体认识上的考虑，为了保留拖缆与拖体之间的相互作用关系，拖缆部分仍然采用有限差分法;而对拖体部分不采用Runge-Kutta法，将拖体运动数学模型对时间进行差分，将常微分方程组转化为差分方程组，这样拖体运动模型的形式就与拖缆运动模型的形式相同了。这时，将拖体作为拖缆的第n+1个节点，把拖体运动方程加到拖缆运动方程后面，作为一个整体共同求解。具体的做法是:将拖体运动数学模型式(2)改写成如式(3)的形式:

式(3)中各系数的意义参见文献［2］。其中，m为拖体的质量;Ix，Iy，Iz分别为拖体对 x，y，z轴的惯性矩。

首先将拖体方程组(3)变形为如下形式:

再将方程组(3)对时间进行中心差分，得到差分形式的拖体方程:

2 定深拖体运动能力仿真分析

2.1 定深拖体外形尺寸

定深拖体如图1所示，拖体上同时安装有定深翼板和检测装置，当拖体偏离预定高度或海底地形发生变化时，拖体的测量系统检测到距海底距离的变化，将信号传输给控制系统，由工控机经过与其他检测参数的计算给出定深翼板攻角参数，通过执行机构驱动定深翼板偏转，使拖体反方向偏转并纵向运动，直到拖体距海底的距离回到设定值。若遇到前方有障碍需要避开，则通过改变翼板攻角的方法使拖体爬坡以避开。

图1 拖体示意图Fig.1 Schematic diagram of towed body

拖体主体长L=2.2 m，宽B=Φ=0.5 m，长细比λ=L/B=4.4，定深翼板选型为NACA0012，单个定深翼板的基本结构尺寸为展长173 mm，弦长450 mm，展弦比为0.38，其弦向投影面积为0.078 m2，2个定深翼板其弦向投影面积合计为0.156 m2。

2.2 定深过程仿真分析

采用定角下潜(拖体埋首20°)，以加快到达海底的速度。入水一定深度后，可以由深度传感器来提供是否启动控制系统工作状态的信号;同时，还需要检测距离海底的高度信号，作为转入沿底定深控制的信号切换，当距离海底高度为20 m时转入沿底控制阶段。

拖体运动轨迹如图2所示，首先经过25 s的时间拖体入水深度达到60 m，这时展开器开始定角下潜，大约再经过75 s的时间拖体到达距离海底20 m的地方，进入沿底定深控制状态，总共需要130 s的时间拖体可以达到沿底5 m定深。

图2 下潜定深拖体高度变化仿真曲线Fig.2 Height change emulate curve of towed body with submersible depth controller

2.3 避障过程仿真分析

在8 kn航速下，当检测到前方有障碍物时，拖体进入爬坡状态，首先调整翼板攻角，调整速度为1°/s，然后开始爬坡，对拖体在水中运动的250 s时间内进行仿真计算，仿真结果见图3和图4。

由图3可以看出，拖体由沿底5 m定深爬坡到15 m高度避开障碍物所需的时间约为6 s，此时拖曳速度为8 kn，因此在距离障碍物25 m时就要探测到障碍物，开始改变翼板攻角，进行爬坡运动，才可以避开障碍物。改变拖曳速度得到仿真计算结果，见表1。

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加大定深翼板面积，将其面积改为0.156 m2，得到拖体在不同拖曳速度下爬坡时间结果，见表2。

由表1和表2可以看出:加大定深翼板面积之前，拖体如果要避开障碍物大约在离障碍物25 m的地方就要开始改变翼板攻角，开始爬坡运动;而在加大定深翼板面积之后，由于受到的流体动力增大，拖体爬坡速度变快，在距离障碍物大约17 m处开始改变翼板攻角就可以越过障碍。

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3 结语

本文通过仿真计算分析了定深拖体的定深及爬坡能力。经过计算表明:拖体可以有足够的定深能力以达到沿底定深，并且在一定距离处发现障碍并采取措施是可以翻越障碍的。但是，拖体本身能翻越的障碍物高度不是很大，在实际使用中还应辅以收缆的工作方式，这样拖体的避障高度可进一步提高。

［1］李英辉，等.拖曳系统计算中拖缆与拖体的耦合计算［J］.海洋工程，2002，(4):37 －36.

LI Ying-hui，et al.Calculation of coupling between the cable and the towed-body in the towed system［J］.The Ocean Engineering，2002，(4):37 －36.

［2］施生达.潜艇操纵性［M］.北京:国防工业出版社，1995.SHI Sheng-da.Submarine maneuverability［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1995.

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［6］奚梅成.数值分析方法［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，1995.

Reseach on motion simulation of towed system with bottom depth controller

WU Shu-guang，XU Jing-jing
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China)

This paper mainly studies towed body's trafficability of the towed system with bottom depth cotroller，and by means of establishing mathematic model，and using the motion simulation analysis method，proving the towed system with bottom depth cotroller has depth controlling ability and obstacle avoidance ability，but in the actually application would need to take auxiliary means to improve obstacle avoidance height.

bottom depth controller;towed system;trafficability;motion simulation

TJ61+7

A

1672－7649(2012)04－0071－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.016

2011－11－02;

2012－02－06

吴书广(1974－)，男，工程师，从事机械设计工作。