水下滑翔机自动变翼翼型系统结构设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告学 院机械工程学院教学系机械工程专业班级机械设计制造及自动化机械1601学生姓名徐浩学号20161501指导教师薛冬阳毕业设计（论文）题目水下滑翔机自动变翼翼型系统结构设计一、选题依据1. 研究背景水下滑翔机是一类新型水下潜器，满足人类对海洋监测任务多样化的需求1。传统水下滑翔机，采用的多是固定机翼，由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，具有效率高、续航力大（可达上千公里）的特点。虽然传统水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，其航迹控制和定位精度低，航速慢，在风浪较大的海面可能会出现随波逐流的情况，自适应能力较弱2，3。2. 国外发展现状早在上世纪 90 年代，国外已经开始了水下滑翔机的研究。1992年，日本东京大学开发了用于科学研究的梭式水下滑翔机ALBAC，ALBAC无浮力调节系统，而是使用抛弃式压载实现下潜和上浮，完成一次下潜上浮动作后即 进行回收。由于未搭载浮力调节系统，ALBAC可携带更多的传感器。1995年以来，在美国海军研究局资助下，美国Webb Research公司、Scripps海洋研究所和华盛顿大学先后研制出Slocum、Spray、Seaglider、 Deepglider 等多种水下滑翔机，其中Deepglider最大工作水深达 6000m。为了提供水下滑翔机的续航力，美国Webb Research 公司又研制了温差能驱动水下滑翔机Slocum，其最大航程可达40000km。它的工作原理是：在海洋的不同深度，温度和热能也不同，热量 的吸收与释放中，工作流体的体积随之而改变，水 下滑翔机实现上浮与下潜。但是温差能循环效率很 低，大约仅有 3%。水下滑翔机XRay是在美国海军研究办公室资助下，由美国Scripps 海洋研究所和华盛顿大学合作，从2004年开始为美国海军近海水下持续监视网络 (PLUSNet)设计的超大水下滑翔机，最新一代为ZRay，其翼展达 6.1m，它载荷能力强、抗流性好、速度快，是全世界最大最快的水下滑翔机4，5 （相关成果见图1）。图1 四种典型的水下滑翔机（国外）3. 国内发展现状我国的水下滑翔机研究起步较晚，2003年才出现有关水下滑翔机的研究报道。国内牵头开展研发的单位主要有中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学、华中科技大学、国家海洋技术中心、中国船舶重工集团有限公司第 710 所和第 702 所、上海交通大学、浙江大学、中国海洋大学、大连海事大学和西北工业大学等6，7。2014年5月22日，天津大学自主研发的水下滑翔机在南海北部水深大于1500米海域通过测试，创造了中国水下滑翔机无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录，突破国外技术封锁。天津大学自主研发的这款水下滑翔机名为“海燕”，采用了最新的混合推进技术，它融合了浮力驱动与螺旋桨推进技术，不但能实现和AUV一样的转弯、水平运动，而且具备传统滑翔机剖面滑翔的能力(即进行“之”字形锯齿状运动)。2017年3月，由中科院沈阳自动化研究所自主研发的“海翼”号深海滑翔机，在马里亚纳海沟挑战者深渊上完成了大深度下潜观测任务并安全回收，其最大下潜深度达到了6329米，刷新了水下滑翔机最大下潜深度6000米的世界纪录。收集了大量高分辨率的深渊海域水体信息，为海洋科学家研究此片海域的水文特性提供了重要的资料8。 2018年4月,青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室(天津大学部分)的“海燕-X”万米级深海水下航行器在马里亚纳海沟下潜至 8 213米9,10 （相关成果见图2）。图2 国内研发水下滑翔机样机4. 研究意义近年来，监测任务的多样化，对水下滑翔机的航行性能提出了较高要求。航行经济性、稳定性和机动性作为水下滑翔机重要的航行性能，在不同任务工况下，性能的重要程度会发生变化。传统水下滑翔机的固定翼型结构不足以满足变工况的性能要求，因此本课题拟开展自动变翼型水下滑翔机研究，通过设计自动翼型变翼系统的结构，实现改变机翼展弦比、后掠角和翻转角的目的，提高在不同工况下的航行性能，更好的服务于海洋观测。二、研究内容和研究方法当前已经有天津大学杨志金设计的三自由度变翼机构，如图3所示，查阅其研究报告可知，当机翼后掠角为30时候，滑翔经济性最好，增加后掠角可以提高水下滑翔机静稳定性。图3 三自由度变翼机构模型图本课题的主要设计内容为自动变翼型水下滑翔机的变翼系统结构设计，在螺旋桨推进工作模式下，相对传统固定翼而言，水平机翼的存在增加了航行阻力，降低了航行经济性，在滑翔模式下，需要大展弦比的机翼来提供足够的升力，故本设计拟将变翼机构和混合驱动水下滑翔机进行有效集成，在滑翔模式下，通过变翼系统驱动机翼变形，增大机翼展弦比，进而提高航行经济性，在AUV模式下，通过变翼系统将机翼收回，便于减小阻力，提高续航能力（相关示意图如图4所示）图4 可变翼混合驱动水下滑翔机变翼示意图通过完成以上相关课题研究，了解水下无人航行器领域相关内容，并锻炼总体机械设计能力和软件应用能力。本课题的主要研究方法如下：1.通过查阅文献资料，了解当前国内外水下滑翔机发展历史及现状，同时对水下无人航行器领域有个大致了解，了解其工作原理，关键技术确定重点研究方向；2.经过前期对水下滑翔机了解，提出不同的变翼方案，对各方案进行优缺点比较分析，优选出最终方案；3.通过机械设计相关知识对结构进行设计，运用CAD及UG/ProE等二维三维软件进行模型及图纸绘制；4.对方案使用的变翼机构借助三维建模软件进行简单的运动力学分析；5.计算确定载荷，进行受力分析及结构强度分析，进行最终结构图的绘制；6.对相关文件汇总，对本课题相关信息进行整理，编制论文设计计算说明书。三、预计可获得的成果1、形成毕业设计计算说明书； 2、完成水下滑翔机可变翼翼型结构设计相关图纸；四、工作进度计划2019年11月6日-2020年3月5日，查阅参考文献，制定设计方案，撰写开题报告；2020年3月6日-2020年3月15日，提出不同变翼方案并对比优缺点，选出合适的最终方案；2020年3月15日-2020年3月30日，方案进行运动学及动力学分析；2020年4月1日-2020年4月30日，结构强度计算，零部件相关计算，绘制零件图；2020年5月1日-2020年5月20日，绘制装配图 ；2020年5月21日-2020年5月30日，撰写设计说明书；五、与开题有关的主要参考文献1 刘方.混合驱动水下滑翔机系统设计与运动行为研究D. 天津: 天津大学, 2014.2 Yang Z，Wang Y，Wu Z，et al. Mechanism design of control-lable wings for autonomous underwater gliders C/Oceans2014，Taipei：IEEE，2014：153 杨志金.可变翼混合驱动水下滑翔机变翼系统设计与航行性能研究D. 天津：天津大学, 2014.4 张明明.可变翼混合驱动水下滑翔机变体机翼系统研究D.天津：天津大学, 2015.5 张艺腾，张明明等.混合驱动水下滑翔机变翼系统研究J. 机械设计, 2018, 35(6): 1-8.6 沈新蕊，王延辉，杨绍琼等.水下滑翔机技术发展现状与展望J. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 89-106.7 Cui W C，Fu S X，Hu Z Q，et al.Encyclopedia of Ocean Engineering: GliderM. Singapore: Springer Singapore,2019: 1-128 石新刚,程芮,苏强.水下滑翔机发展现状及挑战J.声学技术.2015.5，34（2）：12-14. 9 钱洪宝,卢晓亭.我国水下滑翔机技术发展建议与思考J. 水下无人系统学报, 2019, 27（5）:474-47810 Wang S X，Li H Z，Wang Y H，et al. Dynamic Modeling and Motion Analysis for a Dual-Buoyancy-Driven