开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法

摘要

本发明提出一种开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，包括以下步骤：建立开架式海洋机器人三维数值模型；建立试验水池数值模型，并对流体赋予不同的属性及运动学参数来实现对试验水池的数值仿真；建立数值装配模型，并将开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装；设定水池拖拽试验的数值仿真参数；执行水池拖拽试验数值仿真过程，得到不同水流速度以及水流流动方向下的阻力值，以实现开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真。本发明通过分析开架式海洋机器人数值模型和水池数值模型的参数设置，模拟实际拖曳试验过程，避免了实际试验中数十次水池拖曳操作，降低了试验周期和试验成本。

权利要求

1.一种开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，包括以下步骤：建立开架式海洋机器人三维数值模型；

建立试验水池数值模型，并对流体赋予不同的属性及运动学参数来实现对试验水池的数值仿真；

建立数值装配模型，并将所述开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装；

设定水池拖拽试验的数值仿真参数；

执行水池拖拽试验数值仿真过程，得到不同水流速度以及水流流动方向下的阻力值，以实现开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真。

2.根据权利要求1所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述建立开架式海洋机器人三维数值模型，进一步包括：仅建立所述开架式海洋机器人的外部特征数值模型，并通过开架式海洋机器人的实体数值模型替代其内部模型。

3.根据权利要求1所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述开架式海洋机器人在x轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋机器人的长度，所述开架式海洋机器人在y轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋机器人的宽度，所述开架式海洋机器人在z轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋机器人的高度。

4.根据权利要求3所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，通过在流体计算软件中建立一块流体域，得到所述试验水池数值模型。

5.根据权利要求4所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述流体域在X轴方向的最大尺寸定义为所述流体域的长度，所述流体域在Y轴方向的最大尺寸定义为所述流体域的宽度，所述流体域在Z轴方向的最大尺寸定义为所述流体域的高度。

6.根据权利要求5所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述流体域的尺寸根据开架式海洋机器人的外部特征进行建立。

7.根据权利要求6所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述流体域的长度为所述开架式海洋机器人长度的5倍，所述流体域的宽度为所述开架式海洋机器人宽度的6倍，所述流体域的高度为所述开架式海洋机器人高度的6倍。

8.根据权利要求1所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述将所述开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装，进一步包括：将所述开架式海洋机器人三维数值模型置于所述试验水池数值模型的中心，并且所述开架式海洋机器人三维数值模型的x、y和z轴对应平行于所述试验水池数值模型的X、Y与Z轴。

9.根据权利要求1所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，所述设定水池拖拽试验的数值仿真参数，进一步包括：根据试验水池的实际物理参数，进行流体密度设置、动力粘度系数设置、流体流入速度设置以及流体流出速度设置。

10.根据权利要求1所述的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，其特征在于，在所述水池拖拽试验数值仿真过程中，根据相对速度原理，将所述开架式海洋机器人的运动速度转化为相应的水池数值模型中的水流速度，且所述开架式海洋机器人保持静止。

说明书

开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及数值仿真技术领域，特别涉及一种开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法。

背景技术

[0002] 探索和开发海洋具有着重要的战略意义。基于此，海洋水下机器人应运而生，在海洋领域发挥着重要的作用。随着海洋水下机器人的不断发展，其应用领域也不断扩展，在海
洋世界研究与开发、探索未知领域、科学实践考察和水下工程实施等等方面都得到前所未
有的突破。民用方面，海洋水下机器人主要被用来实现海洋环境数据监测和海底资源探索
等方面。军事方面，海洋水下机器人作为无人武器系统的重要组成部分，能实现长距离水下
空间自主周围环境勘测、目标识别跟踪、情报收集传输，极大程度拓宽了水面舰船或潜艇的
协同作战空间，使得海洋水下机器人成为了未来水下战争中执行特殊作战任务的重要手段
之一。

[0003] 开架式海洋机器人是海洋机器人中的重要组成部分，主要用来完成海洋水下操作任务及观察任务。由于开架式海洋机器人的布局具有开放性，因此海洋机器人的结构形式
种类多，外部特征不规则，因此很难采用经验公式进行水动力参数估计，需要进行多次的水
池拖拽试验得到速度及相应的阻力值，来对机器人的水动力参数进行计算。通常开架式海
洋机器人要进行数十次水池拖拽试验，因此试验周期长，同时试验成本很高。数值仿真技术
是一项通过计算机建模及运算来对物理现象进行准确模拟。目前，针对开架式海洋机器人
水池拖拽试验的数值仿真技术尚为空白，即目前还没有相关技术可实现开架式海洋机器人
水池拖拽试验的数值仿真。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，该方法通过分析开架式海洋机器人数值模型和水池数值模型的参数设置，模拟实
际拖曳试验过程，避免了实际试验中数十次水池拖曳操作，降低了试验周期和试验成本。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，包括以下步骤：建立开架式海洋机器人三维数值模型；建立试验水池
数值模型，并对流体赋予不同的属性及运动学参数来实现对试验水池的数值仿真；建立数
值装配模型，并将所述开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装；设
定水池拖拽试验的数值仿真参数；执行水池拖拽试验数值仿真过程，得到不同水流速度以
及水流流动方向下的阻力值，以实现开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真。

[0007] 另外，根据本发明上述实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法还可以具有如下附加的技术特征：

[0008] 在一些示例中，所述建立开架式海洋机器人三维数值模型，进一步包括：仅建立所述开架式海洋机器人的外部特征数值模型，并通过开架式海洋机器人的实体数值模型替代
其内部模型。

[0009] 在一些示例中，所述开架式海洋机器人在x轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋机器人的长度，所述开架式海洋机器人在y轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋
机器人的宽度，所述开架式海洋机器人在z轴方向的最大尺寸定义为所述开架式海洋机器
人的高度。

[0010] 在一些示例中，通过在流体计算软件中建立一块流体域，得到所述试验水池数值模型。

[0011] 在一些示例中，所述流体域在X轴方向的最大尺寸定义为所述流体域的长度，所述流体域在Y轴方向的最大尺寸定义为所述流体域的宽度，所述流体域在Z轴方向的最大尺寸
定义为所述流体域的高度。

[0012] 在一些示例中，所述流体域的尺寸根据开架式海洋机器人的外部特征进行建立。

[0013] 在一些示例中，所述流体域的长度为所述开架式海洋机器人长度的5倍，所述流体域的宽度为所述开架式海洋机器人宽度的6倍，所述流体域的高度为所述开架式海洋机器
人高度的6倍。

[0014] 在一些示例中，所述将所述开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装，进一步包括：将所述开架式海洋机器人三维数值模型置于所述试验水池数值模
型的中心，并且所述开架式海洋机器人三维数值模型的x、y和z轴对应平行于所述试验水池
数值模型的X、Y与Z轴。

[0015] 在一些示例中，所述设定水池拖拽试验的数值仿真参数，进一步包括：根据试验水池的实际物理参数，进行流体密度设置、动力粘度系数设置、流体流入速度设置以及流体流
出速度设置。

[0016] 在一些示例中，在所述水池拖拽试验数值仿真过程中，根据相对速度原理，将所述开架式海洋机器人的运动速度转化为相应的水池数值模型中的水流速度，且所述开架式海
洋机器人保持静止。

[0017] 根据本发明实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，利用数值仿真技术模拟开架式海洋机器人在水池下的拖拽试验，通过分析开架式海洋机器人数
值模型和水池数值模型的参数设置，得到不同速度及相应的阻力值分布情况，避免了实际
试验中数十次水池拖曳操作，降低了试验周期和试验成本。

[0018] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0019] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0020] 图1是根据本发明实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法的流程图；

[0021] 图2是根据本发明一个实施例的开架式海洋机器人三维数值模型的示意图；

[0022] 图3是根据本发明一个实施例的试验水池数值模型的示意图；

[0023] 图4是根据本发明一个实施例的试验水池数值模型与开架式海洋机器人数值模型的装配图。

具体实施方式

[0024] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0025] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0027] 以下结合附图描述根据本发明实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法。

[0028] 图1是根据本发明一个实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

[0029] 步骤S1：建立开架式海洋机器人三维数值模型。

[0030] 具体地，可根据开架式海洋机器人的实际结构，建立简化的开架式海洋机器人的三维数值模型。由于水动力参数只与外部特征相关，因此为了降低计算收敛时间，在本发明
的一个实施例中，仅建立开架式海洋机器人的外部特征数值模型，并通过开架式海洋机器
人的实体数值模型替代其内部模型。作为具体的示例，建立的一类开架式海洋机器人三维
数值模型例如图2所示。

[0031] 其中，开架式海洋机器人在x轴方向的最大尺寸定义为开架式海洋机器人的长度，开架式海洋机器人在y轴方向的最大尺寸定义为开架式海洋机器人的宽度，开架式海洋机
器人在z轴方向的最大尺寸定义为开架式海洋机器人的高度。

[0032] 步骤S2：建立试验水池数值模型，并对流体赋予不同的属性及运动学参数来实现对试验水池的数值仿真。

[0033] 具体地，在步骤S2中，通过在流体计算软件中建立一块流体域，进而得到试验水池数值模型，例如图3所示。

[0034] 其中，流体域在X轴方向的最大尺寸定义为流体域的长度，流体域在Y轴方向的最大尺寸定义为流体域的宽度，流体域在Z轴方向的最大尺寸定义为流体域的高度。

[0035] 更为具体地，流体域的尺寸需要根据开架式海洋机器人的外部特征进行建立。例如，流体域的长度为开架式海洋机器人长度的5倍，流体域的宽度为开架式海洋机器人宽度
的6倍，流体域的高度为开架式海洋机器人高度的6倍。

[0036] 在本发明的一个实施例中，流体域的长度为开架式海洋机器人长度的5倍，流体域的宽度为开架式海洋机器人宽度的6倍，流体域的高度为开架式海洋机器人高度的6倍。

[0037] 步骤S3：建立数值装配模型，并将开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装。

[0038] 具体地，在步骤S3中，将开架式海洋机器人三维数值模型与试验水池数值模型进行组装，进一步包括(即组装过程)：将开架式海洋机器人三维数值模型置于试验水池数值
模型的中心，并且开架式海洋机器人三维数值模型的x、y和z轴对应平行于试验水池数值模
型的X、Y与Z轴，例如图4所示。

[0039] 步骤S4：设定水池拖拽试验的数值仿真参数。

[0040] 具体地，在步骤S4中，设定水池拖拽试验的数值仿真参数，进一步包括：根据试验水池的实际物理参数，进行流体密度设置、动力粘度系数设置、流体流入速度设置以及流体
流出速度设置等。

[0041] 步骤S5：执行水池拖拽试验数值仿真过程，得到不同水流速度以及水流流动方向下的阻力值，以实现开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真。

[0042] 具体地，水池拖拽试验的数值仿真过程与真实的水池拖拽试验的区别在于，真实的水池试验是开架式海洋机器人在水池中匀速运动，水池中的水无初始流动，而在水池拖
拽试验数值仿真过程中，是根据相对速度原理，将开架式海洋机器人的运动速度转化为相
应的水池数值模型中的水流速度，且开架式海洋机器人保持静止。进而，根据试验需求，设
置相应水流速度以及水流流动方向，运行流体计算软件，即可以得到相应的阻力值，将相应
的水流速度、水流方向及数值仿真得到的水流阻力作为试验记录进行保存，而后根据速度
相对原理得到对应的开架式海洋机器人的运动速度、运动方向及机器人受到的阻力，从而
实现开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真。

[0043] 综上，根据本发明实施例的开架式海洋机器人水池拖拽试验的数值仿真实现方法，利用数值仿真技术模拟开架式海洋机器人在水池下的拖拽试验，通过分析开架式海洋
机器人数值模型和水池数值模型的参数设置，得到不同速度及相应的阻力值分布情况，避
免了实际试验中数十次水池拖曳操作，降低了试验周期和试验成本。

[0044] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何
的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0045] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同限定。