波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法与流程

本发明涉及一种波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法，是一种拖曳母体为波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法，属于水下拖体领域。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型无人海洋探测平台，利用“浮体-脐带-潜体”刚柔混合多体结构将海洋波浪能直接地转化为自身的前进动力，同时依靠上甲板搭载的太阳能电池板为各电气负载供电，可以在广阔的海洋上进行长期自主的航行，还可充当通信中继与其他类型的探测平台进行指令和数据交换，为海洋观测技术提供了新思路，有着十分广阔的发展前景。水下拖曳系统是一种日渐广泛应用于海洋工程、海洋研究等领域的水下探测系统,在海洋环境调查、海洋石油开发等方面具有重要意义。将波浪滑翔器与水下拖曳系统组合，将大幅提升波浪滑翔器的海洋环境监测能力。

在实际的海洋环境中,波浪滑翔器随海洋表面波浪起伏而不规则运动，通过系缆传递至水下拖体上,对水下拖体产生不稳定扰动或冲击,这些扰动常常会干扰水下拖体中的仪器正常工作。一种可行的改进方案是采用缓冲系缆，缓冲系缆为折弯式锯齿形状，将系缆分成多个分段，在各个节点处依次配置浮力块和重力块，分别提供浮力和重力，使得系缆保持锯齿形状，当拖曳母体发生不规则运动时，系缆各个分段类似多节弹簧一样伸缩，缓冲对于水下拖体的干扰，使得水下拖体的运动较为稳定，有利于水下拖体中的仪器正常工作。

然而，确定缓冲系缆各个节点处需配置的浮力或重力是较为困难的，常用的方式是有经验丰富的试验人员在水池中进行配平试验，反复调整得到较好的方案，这种方式具有一定的盲目性，效率较低。目前尚无文献探讨通过理论计算确定水下拖体缓冲系缆各节点处配置浮力或重力的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法，用于计算缓冲系缆在各个折弯节点需配置的重力或浮力，作为进一步水中配平试验的初值，降低水中配平试验的盲目性，提高确定最终配平方案的效率，进一步地可提供多种初始条件下的配平方案估计以及对应的系缆形状估计、拖曳母体载荷估计，形成图谱，为方案选择提供基础。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

(1)确定系缆分段数目n，确定从拖曳母体到水下拖体方向依次各个分段的长度lii＝1,2,...,n；

(2)依次取每两个分段组成一个分段组，即第1个分段与第2个分段组成第1个分段组，第3个分段和第4个分段组成第2个分段组，以此类推，如果n为偶数，则共有kmax＝n/2个分段组，如果n为奇数，则取前kmax＝(n-1)/2个分段组并剩余最后一段系缆；

(3)确定每一个分段组的连接处的重力块或浮力块提供的重力或浮力fk，k＝1,2,...,kmax，其中如果n为奇数，再确定第n个分段的后端的重力块或浮力块提供的重力或浮力当分段组的连接处为重力块提供竖直向下的重力时，fk取为正数，当分段组的连接处为浮力块提供竖直向上的浮力时，fk取为负数；

(4)根据选定的稳态拖曳速度，确定拖体匀速航行时的水平方向阻力d和竖直方向分力h，其中：当竖直方向分力向下时，h取为正数，当竖直方向分力向下时，h取为负数；

(5)将各个分段视为直线，列静力平衡方程组，通过数值方法解方程组，依次计算第k个分段组的受力情况，其中k从1到kmax，得到第k个分段组的前后两端受力分别为和组成第k个分段组的两个分段的水平投影长度分别为h2k-1和h2k，两个分段与水平面夹角分别为和其中：如果和为正，则第k个分段组连接处低于前后两端，如果和为负，则第k个分段组连接处高于前后两端；

(6)如果n为奇数，单独针对第n分段建立静力平衡方程组，通过数值方法解方程组，计算得到第n分段的前后两端受力分别为和第n分段的水平投影长度hn，第n分段与水平面夹角θn，如果θn为正，则第n分段低于第n分段与第n-1分段连接点，如果θn为负，则第n分段高于第n分段与第n-1分段连接点；

(7)计算所有相邻分段组连接点处需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的前向分段组的后端受力与后向分段组前端受力之和，其中：如果计算结果为正，则配置能提供对应大小的力的重力块，如果计算结果为负，则配置能提供对应大小的力的浮力块；此外，拖曳母体承受垂向力的估计值为第(5)步计算得到的第一个分段组的前端受力；如果n为偶数，进入第(8)步；如果n为奇数，进入第(9)步；

(8)n为偶数的情况，则第n/2个分段组的后端需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的第n/2个分段组的后端受力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的差；

(9)n为奇数的情况，则第(n-1)/2个分段组与第n个分段的连接点处需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的第(n-1)/2个分段组的后端受力与第(6)步中计算得到的第n分段的前端受力之和，第n个分段的后端需配置的重力或浮力，为第(6)步中计算得到的第n分段的后端受力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的差；

(10)选择多组不同的系缆分段数目，各个分段的长度，每一个分段组的连接处的重力块或浮力块提供的重力或浮力，重复步骤(1)-步骤(9)，形成多组不同参数下的分段组连接点重力浮力配置，以及各个分段水平投影长度，各个分段与水平面夹角的图谱，从图谱中选取合理的初始配平方案。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.第(4)步中所述的确定拖体匀速航行时的水平方向阻力d和竖直方向分力h，方法包括理论分析、计算流体力学方法、经验公式方法或实际试验方法。

2.第(5)步中所述的静力平衡方程组包含垂直方向的受力平衡方程，以该分段组的前端点和后端点为参考点的力矩平衡方程，该分段组两个分段的长度、水平投影长度和与水平面夹角的几何关系方程，该分段组两个分段的前端点和后端点处水平方向受力、垂直方向受力和与水平面夹角的相互关系方程；其中，每个分段系索自身的浮力或重力视为作用于对应分段的中点处，所述该分段组两个分段的前端点和后端点处水平方向受力均取为第(4)步中拖体匀速航行时的水平方向阻力d，当n为偶数时，第n个分段的后端点的垂直方向受力为浮力块或重力块提供的浮力或重力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的和。

3.第(6)步中所述的静力平衡方程组包含垂直方向的受力平衡方程，该分段的长度、水平投影长度和与水平面夹角的几何关系方程，该分段的前端点处水平方向受力、垂直方向受力和与水平面夹角的相互关系方程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、给定初始条件下，初始条件包括系缆分段数目，各个分段的长度，每一个分段组的连接处的重力块或浮力块提供的重力或浮力，能够快速计算出缓冲系缆在各个折弯节点需配置的重力或浮力，作为进一步水中配平试验的初值，降低水中配平试验的盲目性，提高确定最终配平方案的效率；2、计算结果除给出各个折弯节点处需配置的重力或浮力，还可提供各个分段与水平面夹角的估计值，可提供拖曳母体承受垂向载荷的估计值；3、将多个分段分成分段组分别进行计算，后将计算结果合成的算法，计算复杂度随分段数目增加为线性关系，避免了分段数目较大时运算爆炸现象；4、较快的运算速度使得给定多组初始条件下进行运算并形成图谱成为可能，方便技术人员从图谱中选取合理的初始配平方案。

附图说明

图1波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆示意图；

图2是波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法流程图；

图3是系缆分段数目是偶数情形示意图；

图4是系缆分段数目是奇数情形示意图；

图5是分段组静力平衡示意图；

图6是系缆分段数目是奇数情形最后一个单独分段静力平衡示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1，拖曳母体1通过系缆拖曳水下拖体2航行，其中，系缆被折弯成多个系缆分段3，折弯的系缆能够缓冲拖曳母体震荡对水下拖体的影响，而多个重力块或浮力块4使得系缆能够保持折弯的形状。

结合图2，本发明包括如下步骤：

(1)根据应用需求和经验，确定系缆分段数目n，确定从拖曳母体到水下拖体方向依次各个分段的长度lii＝1,2,...,n；

(2)依次取每两个分段组成一个分段组，即第1个分段与第2个分段组成第1个分段组，第3个分段和第4个分段组成第2个分段组，以此类推，如果n为偶数，则共有kmax＝n/2个分段组，如果n为奇数，则取前kmax＝(n-1)/2个分段组并剩余最后一段系缆；

结合图3和图4，图3为系缆分段数目n为偶数的情形，图4为系缆分段数目n为奇数的情形。

(3)确定每一个分段组的连接处的重力块或浮力块提供的重力或浮力fkk＝1,2,...,kmax，其中如果n为奇数，还需确定第n个分段的后端的重力块或浮力块提供的重力或浮力当分段组的连接处为重力块提供竖直向下的重力时，fk取为正数，当分段组的连接处为浮力块提供竖直向上的浮力时，fk取为负数；

(4)根据选定的稳态拖曳速度，确定拖体匀速航行时的水平方向阻力d和竖直方向分力h，其中，当竖直方向分力向下时，h取为正数，当竖直方向分力向下时，h取为负数；

确定拖体匀速航行时的水平方向阻力d和竖直方向分力h，方法包括但不限于理论分析、计算流体力学方法、经验公式方法、实际试验方法等。

(5)近似将各个分段视为直线，列静力平衡方程组，通过数值方法解方程组，依次计算第k个分段组(k从1到kmax)的受力情况，得到第k个分段组的前后两端受力分别为和组成第k个分段组的两个分段的水平投影长度分别为h2k-1和h2k，两个分段与水平面夹角分别为和其中，如果和为正，则第k个分段组连接处低于前后两端，如果和为负，则第k个分段组连接处高于前后两端；

所述的静力平衡方程组，包含垂直方向的受力平衡方程，以该分段组的前端点和后端点为参考点的力矩平衡方程，该分段组两个分段的长度、水平投影长度和与水平面夹角的几何关系方程，该分段组两个分段的前端点和后端点处水平方向受力、垂直方向受力和与水平面夹角的相互关系方程。其中，每个分段系索自身的浮力或重力视为作用于对应分段的中点处，所述该分段组两个分段的前端点和后端点处水平方向受力均取为第(4)步中拖体匀速航行时的水平方向阻力d，当n为偶数时，第n个分段的后端点的垂直方向受力为浮力块或重力块提供的浮力或重力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的和。

结合图5，所述的静力平衡方程组描述如下：

(6)如果n为奇数，单独针对第n分段建立静力平衡方程组，通过数值方法解方程组，计算得到第n分段的前后两端受力分别为和第n分段的水平投影长度hn，第n分段与水平面夹角θn，如果θn为正，则第n分段后端低于前端，如果θn为负，则第n分段后端高于前端；

所述的静力平衡方程组，包含垂直方向的受力平衡方程，该分段的长度、水平投影长度和与水平面夹角的几何关系方程，该分段的前端点处水平方向受力、垂直方向受力和与水平面夹角的相互关系方程。

结合图6，所述的静力平衡方程组描述如下：

(7)计算所有相邻分段组连接点处需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的前向分段组的后端受力与后向分段组前端受力之和，其中，如果计算结果为正，则需配置能提供对应大小的力的重力块，如果计算结果为负，则需配置能提供对应大小的力的浮力块；此外，拖曳母体承受垂向力的估计值为第(5)步计算得到的第一个分段组的前端受力；如果n为偶数，进入第(8)步；如果n为奇数，进入第(9)步；

具体而言，第k个分段组与第k+1个分段组连接点处需配置的重力或浮力

拖曳母体承受垂向力的估计值

t1＝f1^forward

(8)n为偶数的情况，则第n/2个分段组的后端需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的第n/2个分段组的后端受力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的差；

即第n/2个分段组的后端需配置的重力或浮力

(9)n为奇数的情况，则第(n-1)/2个分段组与第n个分段的连接点处需配置的重力或浮力，为第(5)步计算得到的第(n-1)/2个分段组的后端受力与第(6)步中计算得到的第n分段的前端受力之和，第n个分段的后端需配置的重力或浮力，为第(6)步中计算得到的第n分段的后端受力与第(4)步中拖体匀速航行时的竖直方向分力h的差。

即第(n-1)/2个分段组与第n个分段的连接点处需配置的重力或浮力

第n个分段的后端需配置的重力或浮力

(10)进一步地，可选择多组不同的系缆分段数目，各个分段的长度，每一个分段组的连接处的重力块或浮力块提供的重力或浮力，重复步骤(1)-步骤(9)，形成多组不同参数下的分段组连接点重力浮力配置，以及各个分段水平投影长度，各个分段与水平面夹角的图谱，从图谱中选取合理的初始配平方案。

在实际应用中，本发明计算得到的结果，作为水中配平试验的初值，通过水池试验进行修正，最终应用于水下拖体缓冲系缆设计。

综上，本发明公开一种波浪滑翔器的水下拖体缓冲系缆初始配平方法，在确定系缆分段数目、部分节点配置的重力或浮力等初始条件的情况下，将缓冲系缆进行分段组划分，对各个分段组或单独分段求解静力平衡方程，继而求解其他节点处需配置的重力或浮力，同时提供拖曳母体受垂向载荷的估计值和和各分段与水平面夹角的估计值。利用本发明的计算结果作为进一步水中配平试验的初值，可降低水中配平试验的盲目性，提高确定最终配平方案的效率，进一步地可提供多种初始条件下的配平方案估计以及对应的系缆形状估计、拖曳母体载荷估计，形成图谱，为方案选择提供基础。