摘 要

本文借助matlab软件对拖曳式水下航行器系统进行了仿真研究，文章针对拖曳系统的运动特性进行研究。利用数值仿真，进行船舶直航、回转实验，分析各参数对于拖缆运动状态的影响。实验结果对于拖曳系统的设计及其应用都有十分重要的指导意义。

论文主要研究了船舶直航状态下的拖缆缆形、拖缆张力。拖点速度、拖缆横截面积、单位拖缆质量、法向阻力系数和切向阻力系数对拖曳阵阵型、拖缆张力的影响。以及船舶回转运动时拖曳系统拖缆的形态及阵深变化。

研究结果表明：船舶直航状态下，拖点速度、拖缆截面积、单位拖缆质量的改变对拖曳阵阵型、拖缆张力都有较为显著的影响。而不同的法向阻力系数仅对拖曳阵阵型影响较大，切向阻力系数的改变会影响拖缆张力大小。

本文特色：拖缆与拖体进行耦合求解，为保存两者间的相互作用关系，对于拖体方程的求解采用有限差分法，而不采用龙格库塔计算方法。

关键词：拖曳系统；拖缆；拖体；有限差分法；matlab仿真实验

Abstract

In this paper, the towed underwater vehicle system is simulated with the help of matlab software. The article studies the towing system's motion characteristics. Using numerical simulation, the ship's direct navigation and slewing experiments are carried out, and the influence of various parameters on the towline motion state is analyzed. The experimental results have very important guiding significance for the design and application of the towing system.

The thesis mainly studies the shape of the streamer and the tension of the streamer under the condition of direct navigation. Effects of towing point speed, towline cross-sectional area, unit towline mass, normal drag coefficient and tangential drag coefficient on towing formation and towline tension. And the shape and array depth of the towing line of the towing system when the ship is rotating.

The results of the study show that: under the condition of direct navigation of the ship, changes in the towing point speed, towline cross-sectional area, and unit towline mass have a significant effect on the towing formation and towline tension. The different normal drag coefficients only have a greater impact on the towing formation, and the change of the tangential drag coefficient will affect the towline tension.

Features of this article: Coupling solution between the streamer and the tow body. To preserve the interaction between the two, the finite difference method is used to solve the tow body equation instead of the Runge Kuta calculation method.

Keywords: towing system; towing cable; towing body; finite difference method; matlab simulation experime

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2本文意义和目的 2

1.3拖曳系统研究现状 3

1.3.1拖缆的运动研究 4

1.3.2水下拖体的运动研究 5

1.4本文主要工作 6

第2章 拖缆运动数学模型分析 7

2.1拖缆坐标系的定义及其变换 7

2.2拖缆的动力平衡方程 8

2.3拖缆的运动方程 11

2.4拖缆平衡方程 12

2.5拖缆的边界条件 13

第3章 水下拖体运动数学模型的确定 14

3.1拖体坐标系的选取及变换 14

3.1.1坐标系的选取 14

3.1.2坐标系间的转换 15

3.2拖体的空间运动方程的确定 15

3.2.1拖体的运动方程 15

3.2.2拖体受到的外力 16

3.2.3拖体水动力系数的确定 18

第4章 拖曳系统运动仿真计算 19

4.1拖曳系统方程求解的数值方法 19

4.1.1拖缆平衡方程的数值离散 19

4.1.2拖体运动方程的求解 20

4.1.3拖曳系统的JACOBI矩阵 22

4.2拖曳系统运动仿真计算 23

4.2.1拖曳系统直航仿真计算 23

4.2.2拖曳系统回转仿真计算 32

4.3 本章小结 33

第5章 总结与展望 34

5.1论文总结 34

5.2展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1引言

当今世界人口爆炸，全世界人口已经达到70亿之多。随着人口的增加，温室效应越发严重，地球上的陆地资源开采过度。已经难以满足未来人类生产生活的需要。而海洋作为占地球总面积71%的重要板块，蕴藏着大量的石油、矿产资源，必将成为未来人类发展的重要依赖。海洋资源开发也因此得到了广泛的关注。但是由于海洋内部环境复杂危险，人类对于海洋的探索还十分有限。同时，21世纪以来，国际形势的变化促使中国愈发关注海洋权益。而水下拖曳系统在军事活动、水下目标物探测、地质取样、海底电缆铺设以及水下工业设施的使用维修方面扮演者重要的角色。中共十八大提出：“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境建设海洋强国”。为了将人类从复杂危险的海洋环境下解放出来，拖曳式水下航行器系统实现了人们对水下设备的远程操控。增加了人类对深海开发的可能性，在各类海洋勘探活动中得到了广泛应用。

拖曳式水下航行器系统一般由拖曳船舶、拖缆和拖体组成。他属无人水下航行器，他能借助电缆输送能源，并且将有用的信息传回水面。其结构简单并且能以较高速度拖曳，因此受到了广泛的应用。本文以拖曳式水下航行器系统为研究对象，首先对海洋拖曳系统的概念、原理进行了解。并学习拖曳系统各部分的运动方程。在前人的研究基础上，对拖曳系统的仿真运动进行深入研究。