水下推進(jìn)器的案例
FLUENT水下推進(jìn)器螺旋槳計(jì)算
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1 前言
水下推進(jìn)器是潛艇、船只等裝備的重要設(shè)備，負(fù)責(zé)為裝備的運(yùn)動(dòng)提供所需的動(dòng)力。其基本工作原理是借助軸的扭矩使葉片隨軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)推進(jìn)器的水動(dòng)量發(fā)生變化，根據(jù)牛頓第三定律，將會(huì)對(duì)推進(jìn)器產(chǎn)生一個(gè)推力。今天，我們用一個(gè)假想的推進(jìn)器螺旋槳做一個(gè)計(jì)算案例。
2 建模與網(wǎng)格
建立如下的三維計(jì)算模型，對(duì)于該問題的計(jì)算，類似于離心泵的計(jì)算，需要建立動(dòng)、靜子域。本案例中，螺旋槳及其外圍附近的圓柱面構(gòu)成旋轉(zhuǎn)域，圓柱面和外圍方形（也可以是圓柱形）構(gòu)成靜態(tài)域，圓柱面為動(dòng)靜域的交界面（interface）。劃分多面體網(wǎng)格，重點(diǎn)對(duì)螺旋槳附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，因?yàn)榇颂幍淖兞刻荻茸畲?。另外，視螺旋槳的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格質(zhì)量通常難以達(dá)到較高水平，本案例的最小正交質(zhì)量為0.1。
3 邊界條件與求解設(shè)置
采用默認(rèn)的SST k-ω湍流模型，控制壁面的Y+接近1。
我們?cè)O(shè)定進(jìn)口流速0.3m/s，類比風(fēng)洞試驗(yàn)，該速度也是表征推進(jìn)器和母裝備（潛艇、船只）以0.3m/s的速度前進(jìn)。本案例的進(jìn)口速度方向?yàn)?Z，則推進(jìn)器移動(dòng)方向?yàn)?Z。
本案例采用MRF多運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系方法模擬動(dòng)域，該方法為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，求解時(shí)間相對(duì)較短。
展開 論文推薦 | 基于泵噴整流機(jī)理的螺旋槳空化抑制研究
由于泵噴推進(jìn)器是由環(huán)狀導(dǎo)管、前后置定子與螺旋槳所組成的推進(jìn)裝置, 其中帶有翼型的前置定子可以使水流產(chǎn)生預(yù)旋, 帶有翼型的后置定子可以回收尾流中旋轉(zhuǎn)的能量, 故基于上述的泵噴整流機(jī)理, 在水下推進(jìn)器添加特定的前、后置定子使其變?yōu)轭惐脟?em>推進(jìn)器, 并利用CFD仿真分析研究類泵噴推進(jìn)器中螺旋槳在泵噴整流機(jī)理中抑制空泡的效果, 提出一種有效抑制空化氣泡產(chǎn)生以及減小水下推進(jìn)器噪聲的方法, 為抑制螺旋槳空化提供更為有效的途徑。
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模型構(gòu)建
1.1 幾何模型構(gòu)建與描述
以Whale1212水下推進(jìn)器為研究對(duì)象, 如圖1所示, 該標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)推進(jìn)器由密封艙、槳軸、螺旋槳、導(dǎo)管和支撐桿組成, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的深海推進(jìn)器在標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的基礎(chǔ)上增加了前置定子與后置定子。
圖1 水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖
該水下推進(jìn)器的螺旋槳采用帶有側(cè)斜的D型導(dǎo)管槳系列結(jié)構(gòu), 如圖2所示。
展開 當(dāng)代無人駕駛水下航行器的推進(jìn)器設(shè)計(jì)
從載具推進(jìn)的物理學(xué)角度來看，無人駕駛水下航行器(UUV)與滑雪艇或者油輪幾乎沒有什么不同。它采用了航行器-推進(jìn)器-驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)模型，該模型通過推進(jìn)器將驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為推力，以達(dá)到推動(dòng)航行器移動(dòng)的目的。推力平衡和運(yùn)動(dòng)的基本原理對(duì)這三種載具都是共同的，即旋轉(zhuǎn)能量被系統(tǒng)的中心部件推進(jìn)器轉(zhuǎn)化為軸向推力。
不同類型載具的推進(jìn)器設(shè)計(jì)所不同的是基于載具各自任務(wù)所特有的設(shè)計(jì)約束和目標(biāo)。例如，一艘滑雪艇在拖曳速度下可能需要高推力，并愿意放棄潛在的最高速度以達(dá)到這一任務(wù)要求，它的傳動(dòng)比和推進(jìn)器特性就是為此而設(shè)計(jì)的。為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，油輪可能需要以“經(jīng)濟(jì)速度”獲得最大的效率。或者，它可能還會(huì)額外限制排放或燃料消耗，這就要求在推進(jìn)器的設(shè)計(jì)上做出妥協(xié)。
考慮到相關(guān)的各種任務(wù)，水下航行器有其自己的一套推進(jìn)器設(shè)計(jì)要求，如電池壽命(或電池容量下運(yùn)行的最大距離)，最大直徑，最小運(yùn)行速度，從水動(dòng)力效率或安全角度考慮是否采用導(dǎo)流管式螺旋槳，同時(shí)也考慮到可以減少噪聲，確保安靜地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集任務(wù)。這些設(shè)計(jì)要求是HydroComp公司進(jìn)行UUV推進(jìn)器設(shè)計(jì)工作時(shí)的思考，這些思考來源于一個(gè)成功的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，是在和客戶深度溝通設(shè)計(jì)需求和信息的過程中形成的。航行器-推進(jìn)器-驅(qū)動(dòng)模型是進(jìn)行此類設(shè)計(jì)討論的一個(gè)很好的框架。
航行器
典型的UUV是一種回旋體外形(也稱為軸對(duì)稱形式)，它有一個(gè)鼻子、身體和尾巴。為了裝配設(shè)備的內(nèi)部容積最大化，一些航行器的首部和尾部非常短。正如你可能預(yù)料到的，這樣的首部必然會(huì)造成阻力的增加，由于流體進(jìn)入推進(jìn)器不是沿著軸向而是有一定的斜度，也會(huì)損失一定的推進(jìn)性能。不同的阻力成分，如興波阻力或壓阻力和摩擦阻力或粘性阻力之間的平衡是我們工作的一部分，往往希望得到最小的阻力體積比，事實(shí)上，這并不能完全實(shí)現(xiàn)。
展開 【技術(shù)】水下潛航器尾部形狀對(duì)推進(jìn)的影響
水下潛航器underwatervehicle (UV) 設(shè)計(jì)，必需要將艇體-推進(jìn)-驅(qū)動(dòng)整體考慮，也就是我們常說的要達(dá)到船機(jī)槳匹配。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，經(jīng)常會(huì)忽略螺旋槳與艇體之間的關(guān)系，尤其是水流如何到達(dá)螺旋槳周圍，以及艇體與螺旋槳之間的局部壓力如何影響推力。希望通過本文使UV設(shè)計(jì)者對(duì)這種關(guān)鍵的水動(dòng)力相互作用有一些了解。
螺旋槳壓力
螺旋槳葉片兩側(cè)有兩個(gè)主要壓力區(qū)，它們共存并產(chǎn)生推動(dòng)艇體運(yùn)動(dòng)的推力。在螺旋槳的后部是一個(gè)“正壓”區(qū)域（在圖中以P +表示）。將手伸出車窗外。稍微旋轉(zhuǎn)手以使拇指抬起。當(dāng)您的汽車行駛時(shí)，空氣會(huì)被您的手抓住，從而形成“正壓力”。這等效于螺旋槳的最后側(cè)（“面”），并向前推動(dòng)葉片。
同時(shí)，由于環(huán)繞您的拇指和手背的氣流彎曲，您的手上也產(chǎn)生了吸力。（您可能不會(huì)感覺到這種感覺，因?yàn)槲覀兊氖植皇呛艽蟮臋C(jī)翼，但它在那里。）此吸力是一個(gè)“負(fù)壓”區(qū)域，可將刀片向前（向前）拉動(dòng)。可能令人驚訝的是，對(duì)于大多數(shù)用于UV的螺旋槳，吸力“負(fù)壓”是推動(dòng)螺旋槳推力的主要因素。
艇體尾部形狀
這與我的上游艇體形狀有什么關(guān)系？負(fù)的螺旋槳吸力會(huì)在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離產(chǎn)生影響。該抽吸區(qū)不僅會(huì)向螺旋槳中吸水，而且還會(huì)向后拉動(dòng)船體或位于其前面的艇體。這種減小拉回可以有效地視為增加的阻力，但更常見的是將其作為“推力減額”來處理。而且，具有靠近螺旋槳的向后形狀的艇體特別容易受到推力減小的影響。
此處顯示的圖形說明了在現(xiàn)代“旋轉(zhuǎn)體”或“魚雷式” UV上經(jīng)?？吹降娜N不同的尾巴形狀。
展開 
軍用級(jí)仿鯊魚尾鰭推進(jìn)水下機(jī)器亮相
原來博雅工道在水下機(jī)器魚中加入了仿生側(cè)線感知技術(shù)，這是基于北京大學(xué)工學(xué)院十多年的的研究基礎(chǔ)上，研發(fā)出單關(guān)節(jié)、多關(guān)節(jié)魚尾、胸鰭驅(qū)動(dòng)的高效高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也稱仿生推進(jìn)技術(shù)。
在自然界中的魚類，能夠以極快的速度應(yīng)對(duì)突發(fā)的驚擾，同時(shí)能夠在只獲取局部信息的情況下，組織大規(guī)模魚群的群體行為，從而產(chǎn)生群體智能，而這主要依靠其側(cè)線系統(tǒng)。而搭載仿生推進(jìn)技術(shù)的博雅工道水下機(jī)器魚，能夠完美模仿自然界中的魚類游動(dòng)的狀態(tài)，所以能與魚兒們友好相處。
同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的螺旋推進(jìn)器，仿生推進(jìn)器不僅具有高效性、高機(jī)動(dòng)性和驅(qū)動(dòng)方式多樣化，還擁有降低噪音和增強(qiáng)隱身的能力，大大降低了對(duì)海洋生物的破壞性。
要探索更要保護(hù)，智能“魚群”專利滿滿
BIKI不僅是一個(gè)面向C端的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，在搭載各種傳感器之后也將可以應(yīng)用于B端場(chǎng)景，比如水廠中的漏水監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)中的排污監(jiān)測(cè)，其獨(dú)特地仿生技術(shù)，甚至可以在一些軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。BIKI具備超高的智能化水平，能為躲避水下障礙物和路徑規(guī)劃，提供更加精準(zhǔn)的測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)，使得機(jī)器魚在水中提高續(xù)航能力的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜而又精確的位姿控制，保證機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)水下任務(wù)的順利完成。
據(jù)悉，博雅工道已擁有相關(guān)技術(shù)專利60余項(xiàng)、國際商標(biāo)28項(xiàng)，PCT一項(xiàng)。旗下產(chǎn)品有水下攝影機(jī)器魚、手持水下飛行器、無人艇、ROV、兩棲履帶車等5個(gè)系列。陳龍冬表示，這些技術(shù)都是團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，并且一直堅(jiān)持走中國獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)之路，爭(zhēng)創(chuàng)世界一流水下無人機(jī)品牌。2018年1月，博雅工道進(jìn)入了福布斯“2018CES值得全球關(guān)注的中國展商”的榜單，取得了業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
21世紀(jì)以來，國與國之間綜合實(shí)力的較量無不體現(xiàn)著創(chuàng)新的強(qiáng)大能力。然而，科學(xué)研究如同逆水行舟，不進(jìn)則退，科技創(chuàng)新更是如此。企業(yè)人才也應(yīng)擔(dān)負(fù)起創(chuàng)新的興國之路、富強(qiáng)之路，吹響建設(shè)世界科技強(qiáng)國的號(hào)角。
展開 自主水下航行器 (AUV) | 近實(shí)時(shí)仿真與控制助力實(shí)現(xiàn)水下機(jī)動(dòng)航行
同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對(duì)大型載人航行器來說太危險(xiǎn)或根本無法嘗試的許多應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，這些應(yīng)用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達(dá)目標(biāo)位置。航行器一旦到達(dá)目標(biāo)位置，可能就需要執(zhí)行敏捷操縱（即水下機(jī)動(dòng)航行），以采集圖像、視頻和其他重要數(shù)據(jù)。
受諸多因素的影響，開發(fā)這些 AUV 的控制算法錯(cuò)綜復(fù)雜。其中，最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是無線電信號(hào)在水中會(huì)發(fā)生衰減，這使得 AUV 在深海遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)無法可靠地接收 GPS 或通迅信號(hào)。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業(yè)能力就顯得愈加重要。
瑞典皇家理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)研究了控制策略，通過最大限度地降低能耗，使AUV 完成時(shí)間更長(zhǎng)、更復(fù)雜的任務(wù)成為了可能。
借助 MATLAB? 和 Simulink?，使用基于模型的設(shè)計(jì)，對(duì)開發(fā)的控制算法進(jìn)行了仿真、優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)。這種方法可以先通過仿真快速開發(fā)和評(píng)估算法，然后在機(jī)動(dòng)航行的 AUV SAM（圖 1）上，對(duì)這些算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從而加快研究步伐。
圖 1. SAM AUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學(xué)院的海洋機(jī)器人中心設(shè)計(jì)的。
AUV 設(shè)計(jì)中的工程權(quán)衡
采用就地懸停設(shè)計(jì)的 AUV，通常搭載多個(gè)推進(jìn)器，這使得 AUV 體積龐大，因而無法輕松完成遠(yuǎn)距離航行。另一方面，雖然細(xì)長(zhǎng)型 AUV 的航程更遠(yuǎn)，但受限于形狀，再加之缺乏多個(gè)推進(jìn)器，這些 AUV 在到達(dá)目標(biāo)位置后，更難懸停或使攝像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標(biāo)。
展開 極地科考破冰船水下輻射噪聲分析
由于有些科考破冰船采用全方位推進(jìn)裝置, 其螺旋槳噪聲應(yīng)擴(kuò)展到水下推進(jìn)器的整體噪聲, 而且這類噪聲往往是控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中, 水動(dòng)力噪聲又稱作流噪聲, 屬于流體動(dòng)力學(xué)噪聲的一種, 是船舶在海面運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的水流內(nèi)部應(yīng)力和船體與水流之間壓力共同作用的結(jié)果, 其中包含由于船體曲面或附體在運(yùn)動(dòng)中激起的下泄氣泡以及渦流帶來的噪聲, 如圖4所示。機(jī)械噪聲由主機(jī)、輔機(jī)等精密船載設(shè)備產(chǎn)生, 主要集中在低頻段, 但由于其成分較為復(fù)雜, 且海洋背景噪聲大多為低頻, 因而實(shí)際提取識(shí)別時(shí)較為困難, 針對(duì)主機(jī)振動(dòng)噪聲的分析如圖5所示。螺旋槳噪聲是指高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳在水中振動(dòng)輻射產(chǎn)生的聲波, 其中包含螺旋槳空化噪聲及螺旋槳葉片振動(dòng)引發(fā)的噪聲, 如圖6所示, 如果采用安裝于船尾、浸沒于水中的全方位推進(jìn)裝置, 這類推進(jìn)器噪聲除了螺旋槳噪聲以外, 還有推動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的水下推進(jìn)電機(jī)或齒輪傳遞的噪聲。
圖4 船體水動(dòng)力噪聲渦流分析示意圖
圖5 主機(jī)振動(dòng)噪聲分析示意圖
圖6 針對(duì)螺旋槳噪聲的空泡試驗(yàn)示意圖
影響水下輻射噪聲的全方位推進(jìn)裝置有吊艙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、齒輪全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和直葉槳推進(jìn)器等。這類推進(jìn)裝置一般安裝在科考船、破冰船和海洋工程船等船型的尾部作為主推進(jìn)器。它們有個(gè)共同的特點(diǎn), 即利用船尾水下安裝的特殊形式實(shí)現(xiàn)常規(guī)螺旋槳與舵的聯(lián)合控制, 使其具備“舵槳合一”功能。這一特點(diǎn)導(dǎo)致水下輻射噪聲級(jí)別和頻率范圍不同于常規(guī)螺旋槳。采用此類推進(jìn)裝置的船型, 在建造設(shè)計(jì)之初就必須重點(diǎn)關(guān)注水下推進(jìn)器的噪聲并嚴(yán)格加以控制。
展開 分布式電推進(jìn)飛行器高性能螺旋槳設(shè)計(jì)
在眾多創(chuàng)新概念中，分布式電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)展現(xiàn)出了較為明顯的發(fā)展?jié)摿?，其被認(rèn)為能夠極大地降低燃油消耗和各類排放，并被視為有潛力在2030年后投入使用的、極有前景的民用綠色航空解決方案，已經(jīng)成為美俄等國航空技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展的主要方向之一。
與常規(guī)飛行器相比較，分布式電推進(jìn)飛行器全機(jī)性能主要由分布式動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)翼之間的耦合特性所決定，因此其氣動(dòng)設(shè)計(jì)問題已由傳統(tǒng)機(jī)翼的干凈外形設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际絼?dòng)力與機(jī)翼強(qiáng)耦合下的最優(yōu)特性設(shè)計(jì)問題，這對(duì)分布式電推進(jìn)飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)翼等均提出了不同的要求。如美國X-57全電飛機(jī)所采用的分布式螺旋槳就與傳統(tǒng)螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機(jī)滑跑起降狀態(tài)下的升力特性為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進(jìn)一步結(jié)合分布式電推進(jìn)飛行器發(fā)展，探討新型高性能動(dòng)力單元和分布式動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，為下一步開展創(chuàng)新性研究提供建議和指引。
圖1 X-57分布式電推進(jìn)飛行器
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主要內(nèi)容
以類X-57分布式電推進(jìn)飛行器為研究對(duì)象，脫離了傳統(tǒng)螺旋槳僅僅追求高推進(jìn)效率的思路，提出并發(fā)展了以單位能量下獲得螺旋槳/機(jī)翼綜合氣動(dòng)效率最優(yōu)為目標(biāo)的高性能螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法。
文章首先對(duì)模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值方法進(jìn)行介紹和算例驗(yàn)證，包括多重參考坐標(biāo)系方法、面源法和葉素動(dòng)量理論方法3種，保證螺旋槳數(shù)值模擬和數(shù)值設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。
展開 載人登月航天器推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇分析
摘要:載人登月航天器完成近月制動(dòng)和著陸下降等空間任務(wù)，需要裝載大量推進(jìn)劑，推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇是航天器總體方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要組成部分。建立了推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)仿真模型，仿真分析了推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量和干重系數(shù)隨推進(jìn)劑裝載量的變化規(guī)律，并對(duì)比了20 t級(jí)載人登月航天器擠壓和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)方案。結(jié)果表明:推進(jìn)系統(tǒng)方案質(zhì)量與推進(jìn)劑裝載量有關(guān)，推進(jìn)劑裝載量越大，泵壓推進(jìn)系統(tǒng)輕量化優(yōu)勢(shì)越大，主要由泵壓系統(tǒng)貯箱質(zhì)量較輕導(dǎo)致；球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱封頭直徑的技術(shù)途徑，橢球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱圓柱段長(zhǎng)度的技術(shù)途徑；對(duì)20 t級(jí)載人登月航天器算例進(jìn)行仿真分析表明，從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化角度出發(fā)，宜選用泵壓推進(jìn)系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵詞:載人月球探測(cè)；航天器；推進(jìn)系統(tǒng)；仿真分析
1 引言
推進(jìn)系統(tǒng)是航天器的重要組成部分，為航天器軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制提供推力和控制力矩。隨著空間探測(cè)任務(wù)的日益廣泛，推進(jìn)系統(tǒng)在航天器中的作用以及質(zhì)量占比越來越大，推進(jìn)系統(tǒng)方案和性能的優(yōu)劣顯著影響航天器設(shè)計(jì)水平和任務(wù)效益[1-3]。航天器通常選用空間應(yīng)用成熟度高的液體推進(jìn)系統(tǒng)，液體推進(jìn)系統(tǒng)按照推進(jìn)劑輸送方式主要分為擠壓推進(jìn)系統(tǒng)和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)，擠壓推進(jìn)系統(tǒng)方案因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠的突出特點(diǎn)在航天器中應(yīng)用最廣泛[4-8]。
在載人月球探測(cè)任務(wù)中，航天器為運(yùn)送航天員和載荷逃逸出地球完成月球探測(cè)和返回，需要裝載大量推進(jìn)劑為探測(cè)任務(wù)提供需要的速度增量。推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇需要考慮技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)性能、輕量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文從推進(jìn)系統(tǒng)輕量化角度出發(fā)，建立推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)仿真模型，研究分析航天器擠壓和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量變化規(guī)律、關(guān)鍵影響因素及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為載人月球探測(cè)航天器推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇提供支撐。
展開 用SolidWorks畫葉輪推進(jìn)器裝配體里的葉輪零件
葉輪
圖紙
繪圖視頻
建模步驟
清華大學(xué)：自由浮動(dòng)球體的多推進(jìn)器進(jìn)化優(yōu)化控制
自由浮動(dòng)球體的對(duì)推進(jìn)器進(jìn)化優(yōu)化控制
周玉成 趙雁南 揚(yáng)澤紅 巴特爾 王家
清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 ，智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要：為控制在太空中自由浮動(dòng)的航天器，通過建立多個(gè)小推進(jìn)器作用下自由浮動(dòng)球體的運(yùn)動(dòng)模型，使用遺傳算法（GA）控制球體運(yùn)動(dòng)過程中姿態(tài)和路徑，為實(shí)際的航天器控制提供了一種新的控制方式。根據(jù)多個(gè)小推進(jìn)器不同分布所產(chǎn)生的作用，在不同的運(yùn)動(dòng)階段使用 GA搜尋最好的推進(jìn)器組合方式以便得到i最優(yōu)化的路徑和位置控制。將控制目標(biāo)作為GA的適應(yīng)函數(shù)，使用GA控制器得到的推進(jìn)器組合方式移動(dòng)球體到達(dá)到目標(biāo)的位置和狀態(tài)。與傳統(tǒng)的航天器所采用最優(yōu)控制方法相比，這種實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的算法分析，卻能夠得到更有效的控制結(jié)果。
關(guān)鍵詞：自由浮動(dòng)球體，姿態(tài)與路徑控制，多推進(jìn)器，GA控制器，多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化
內(nèi)容簡(jiǎn)介：
1 推進(jìn)器分布情況
2 自由球體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型
2.1 坐標(biāo)變換
2.2 剛體運(yùn)動(dòng)的合成
2.3 仿真模型
3 使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化控制
3.1 GA控制器
3.2 姿態(tài)穩(wěn)定
3.3 控制軌跡和速度
3.4 目標(biāo)區(qū)穩(wěn)定
4 仿真實(shí)驗(yàn)
5 結(jié)論
自由浮動(dòng)球體的多推進(jìn)器進(jìn)化優(yōu)化控制.pdf
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數(shù)字孿生 | Innomotics借助仿真技術(shù)推進(jìn)支持AI的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
由于工業(yè)應(yīng)用對(duì)自動(dòng)化、更高工藝效率和更高可靠性的需求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵因素。另一方面，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電力電子組件設(shè)計(jì)過程中，這些要求反過來又給開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。不過，仿真現(xiàn)在可以幫助企業(yè)開發(fā)這些組件，釋放工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的新一代潛力。
根據(jù)電機(jī)的電壓等級(jí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分為中壓（MV）和低壓（LV）兩種類型。其中，MV驅(qū)動(dòng)器用于電壓高于1千伏（kV）的應(yīng)用。這兩種類型的驅(qū)動(dòng)器均可用于工業(yè)設(shè)備中，來驅(qū)動(dòng)泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇和輸送機(jī)，其應(yīng)用范圍涵蓋發(fā)電、采礦、化學(xué)和金屬加工等領(lǐng)域。
Innomotics是一家領(lǐng)先的電機(jī)和大型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商，總部位于德國，并在世界各地設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。該公司正在利用Ansys多物理場(chǎng)仿真和數(shù)字孿生技術(shù)，為其MV驅(qū)動(dòng)器升級(jí)人工智能（AI）功能。該公司表示，AI功能將通過增強(qiáng)對(duì)真實(shí)環(huán)境的感知能力來提高驅(qū)動(dòng)器性能，從而突破設(shè)計(jì)限制。
通過集成Ansys結(jié)構(gòu)、流體和電子仿真以及數(shù)字孿生解決方案，Innomotics采用降階建模等技術(shù)，支持?jǐn)?shù)字工程，從而在保持準(zhǔn)確性的同時(shí)簡(jiǎn)化復(fù)雜模型。此外，該公司利用虛擬測(cè)試和原型設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)物理方法，最大限度地減少了時(shí)間和成本。因此，這家國際供應(yīng)商能夠優(yōu)化和推進(jìn)設(shè)計(jì)、降低成本，并加速開發(fā)。
中壓（MV）驅(qū)動(dòng)器用于控制壓縮機(jī)、泵和風(fēng)扇等工業(yè)設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)速，應(yīng)用范圍涵蓋發(fā)電、采礦、化學(xué)和金屬加工等領(lǐng)域
伴隨數(shù)字工程不斷發(fā)展
盡管所有MV驅(qū)動(dòng)器都通過提供可變AC電源來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，但根據(jù)輸出不同，MV驅(qū)動(dòng)器主要分為兩種類型：具有可控電流輸出的電流源逆變器（CSI）和具有可控電壓輸出的電壓源逆變器（VSI）。
展開 MBSE產(chǎn)品模型架構(gòu)應(yīng)用：基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)概念的自主水下航行器控制器的MBSE應(yīng)用（下）
圖5.AUV控制器實(shí)時(shí)壓縮的協(xié)作圖
圖6.AUV控制器的實(shí)時(shí)壓縮類圖
這里，離散部件的壓縮由AUV控制器HA中的情況Q和過渡A組成;連續(xù)部件的壓縮包含連續(xù)狀態(tài)空間X;IGCB的壓縮實(shí)現(xiàn)了具體的全局連續(xù)行為，如f∈F，其中f直接來自公式（3），實(shí)現(xiàn)的功能模塊圖（圖4）可以在f中實(shí)現(xiàn)，用于估計(jì)AUV狀態(tài);外部接口的壓縮是一個(gè)中介，它在AUV控制器和MES / MDS之間接收/發(fā)送事件/信號(hào);內(nèi)部接口的壓縮允許 Inv 工具在 HA 演化中生成內(nèi)部事件。
對(duì)于不同AUV應(yīng)用的控制器操作員來說，可重用性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼫p少了制造時(shí)間和設(shè)備成本。此外，這允許開發(fā)AUV的壓縮協(xié)作在多種類型AUV的新控制應(yīng)用中定制和重用，如表2所示。
表 2.設(shè)計(jì)控制器在多種類型AUV的新控制應(yīng)用中的可定制性和可重復(fù)使用性（IGCB，瞬時(shí)全局連續(xù)行為）。
展開 MBSE產(chǎn)品模型架構(gòu)應(yīng)用：基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)概念的自主水下航行器控制器的MBSE應(yīng)用（上）
圖1.自主水下航行器（AUV）的自主架構(gòu)模塊定義圖
根據(jù)上述AUV動(dòng)態(tài)和控制架構(gòu)，以及第2節(jié)中描述的HDS的定義，AUV控制器可以被視為HDS，其動(dòng)態(tài)行為可以通過HA建模，并通過視線（LOS）導(dǎo)航性實(shí)現(xiàn)。
文章來源：創(chuàng)景科技
歐洲客戶CAESES案例分享——線性噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
福伊特VOITH線性噴水推進(jìn)器是一款結(jié)合了螺旋槳優(yōu)勢(shì)（propeller）和噴水推進(jìn)器優(yōu)勢(shì)（waterjet）的產(chǎn)品。對(duì)于這款產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，最大的挑戰(zhàn)之一在于如何在廣泛的工作范圍內(nèi)保持高效率，同時(shí)延遲空泡的發(fā)生。
具體來說，福伊特線性噴水推進(jìn)器具有以下優(yōu)勢(shì)：
● 在船舶的航區(qū)間內(nèi)持續(xù)的高效率
● 降低空泡，降低噪音和振動(dòng)
● 適用于低速，高速之間混合運(yùn)行工況的船型，如游艇，巡邏艇等
福伊特公司充分利用CAESES的功能來設(shè)計(jì)線性噴水推進(jìn)器的整個(gè)系統(tǒng)，包括尾軸管，船體和轉(zhuǎn)子/定子的幾何外型。
推進(jìn)器與船體的整合
如何將這套系統(tǒng)最佳的匹配到船體上也是通過CAESES實(shí)現(xiàn)的，如下圖。為了找到滿足客戶需求的最佳外型，我們定義了一系列參數(shù)（尾軸管長(zhǎng)度，整合深度等等），然后將他們用到CAESES建立的高度自動(dòng)化的仿真流程中。這些參數(shù)會(huì)自動(dòng)變化，與此同時(shí)轉(zhuǎn)子，定子，噴嘴的幾何形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣就確保了船體幾何與推進(jìn)器完美的貼合。
定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
葉片的參數(shù)基于圓柱形截面定義。典型的參數(shù)為弦長(zhǎng)，厚度，拱，側(cè)斜，縱傾，螺距的徑向分布。為了分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，一些其他的參數(shù)也被定義。
以這個(gè)幾何為基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分流程可以完全的自動(dòng)化，并且可以用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。面網(wǎng)格本身在一些關(guān)鍵的區(qū)域如倒邊，隨邊和葉梢與噴嘴之間的空隙也有更高的密度。
葉片，噴嘴，船體和尾軸管的參數(shù)可以利用CAESES內(nèi)置的算法自動(dòng)變化從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。整個(gè)仿真流程是在福伊特公司的計(jì)算集群上完成的。
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