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1.1背景
當水下航行器在水下深處作業(yè)時，它們的深度會使
波浪對表面的影響可以忽略不計。因此，它們不會承受波浪引起的荷載。然而，當水下航行器執(zhí)行諸如
柴油發(fā)動機，使用潛望鏡，通過淺海航道，它們必須運行
并且因此經(jīng)歷波浪引起的載荷。波浪引起的荷載
可能會限制水下航行器在接近時的作戰(zhàn)能力和有效性
表面。這是因為波浪引起的載荷會導(dǎo)致不希望的橫搖、偏航和俯仰
當接近表面時，難以保持一致的深度。
波浪引起的荷載具有線性和非線性分量
不規(guī)則海道中的波浪分量。每個波分量單獨產(chǎn)生
線性力。這些線性載荷發(fā)生在每個波的相遇頻率處。這意味著
盡管這些載荷比非線性載荷大，但它們發(fā)生的時間要短得多
時間尺度。該時間尺度通常太短，大型水下航行器無法響應(yīng)，
因此，對于小型水下航行器來說，它們更值得關(guān)注。非線性荷載來自
波之間的相互作用，包括波與自身的相互作用
相互作用波的頻率。因此，我們可以得到平均值（0 Hz頻率）
非線性負載和來自
波浪與自身相互作用。我們也會在每個差異處得到一個非線性負載
海道中所有底層波浪頻率的總和。這些負載是
比線性模型小得多，但發(fā)生在更長的時間尺度上；波浪與
幾乎相同的頻率將產(chǎn)生一個非線性力
時期因此，在適當?shù)臈l件下，這些負載對于較大的
水下機器人，因為它們的控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間很慢。這些載荷
對于小型車輛來說通常可以忽略不計，并且它們的控制系統(tǒng)通常可以快速響應(yīng)
足以應(yīng)付他們。
1.
1.2動機
了解水下航行器上的線性和非線性波浪荷載，以及
它們對車輛性能的影響，將使未來的車輛設(shè)計能夠解決這些負載
在設(shè)計過程早期，提高水下航行器的運行可靠性
以及有效性。這將使水下航行器完全能夠進行
在水面附近進行諸如吸氣和潛行等操作。使用潛望鏡時
水下航行器在一定深度的水面附近吸氣時，由于復(fù)雜的海況，可能會受到波浪引起的力和力矩，從而產(chǎn)生吸力效應(yīng)
將水下航行器拖到水面。這會增加車輛的可能性
拉削表面并被檢測[1]。
歷史上，對非線性波浪荷載的關(guān)注較少。目前，
更好地理解線性負載，并且影響負載的參數(shù)是已知的。
載荷建模足夠精確，包括分析解的存在
用于大多數(shù)工程用途的旋轉(zhuǎn)體形狀。然而，非線性負載是
不太了解。預(yù)測它們需要從
無粘性流動。這些解決方案需要大量的計算工作。
1.3以前的工作
過去進行了實驗和數(shù)值研究
全淹沒結(jié)構(gòu)上的非線性波浪力和力矩。本節(jié)
首先總結(jié)了實驗研究，然后是數(shù)值研究。
Crossland[1]進行了一系列實驗測試，以了解波浪引起的荷載
對具有各種速度、方向和海洋的半捕獲式水下航行器的影響
州。因此，Crossland[1]證明
垂直波浪引起的載荷可能再次影響未來水下航行器的設(shè)計。
Khalil[2]的實驗研究集中在長
平行于波浪浸沒在拖曳槽中的水平圓柱結(jié)構(gòu)。實驗
通過使用產(chǎn)生長度為1.57和
3.14 m在圓形和矩形圓柱體上行駛，以預(yù)測沖擊
這些不同幾何形狀對波浪荷載的影響[2]。在此期間
2.
試驗，施加在水下的水平和垂直波浪誘導(dǎo)力
使用多分量稱重傳感器測量不同深度的圓柱體，然后
評估并與先前研究中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行比較。哈利勒的主要發(fā)現(xiàn)是
非線性波浪力的發(fā)展主要是由波浪在后面的破裂引起的
水面附近的浸沒圓柱。破浪是否定的原因非線性波浪力的發(fā)展主要是由波浪在后面的破裂引起的
水面附近的浸沒圓柱。波浪破碎是負漂移的原因
作用在浸沒圓柱體上的力，因為當
浸沒深度增加[2]。
Whitmer的[3]研究是預(yù)測波浪力和力矩的實驗研究
在水面附近的水下物體上。在他的研究中，線性疊加的適用性是
研究以估計水下結(jié)構(gòu)物上的波浪誘導(dǎo)力和力矩[3]。
作者研究了預(yù)測單個線性阻力和垂直力的能力
在復(fù)雜的雙組分海道中。通過解決Cummins的
方程1.1、1.2和1.3，并將它們與實驗測量結(jié)果進行比較
這項研究大體上檢驗了它們的準確性。
𝐹𝑥 = −
𝜋
2.
𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑏0個(𝜔𝑒𝑡) (1.1)
𝐹𝑧 = −𝜋𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑏0罪(𝜔𝑒𝑡) (1.2)
𝑀𝑦 = −
𝜋
2.
𝜌𝑔𝐴𝑜𝐿ℎ
1.
𝜆
∗
𝑒
−2𝜋𝐻′
𝑎1個(𝜔𝑒𝑡) (1.3)
Cummins[4]、Whitmer[3]、[5]和Hermsen[6]的研究中對Cummins方程關(guān)于線性波浪力和力矩的擴展討論。Whitmer[3]得出結(jié)論，對于所研究的波高和頻率，線性疊加
是預(yù)測淺水區(qū)波浪力和力矩的可行分析
結(jié)構(gòu)。
Klamo等人[7]和Turner等人[8]進行了實驗研究，通過關(guān)注涌浪力、垂蕩力和縱搖，研究了完全浸沒的物體上的波浪荷載
在牽引箱中的瞬間。他們的研究集中在對線性一階模型的建模上
3.
在評估分析解的準確性時，波浪對身體產(chǎn)生的力。
研究確定了分析解決方案中的理論假設(shè)，然后進行了研究
準確性評估期間這些假設(shè)的重要性。他們使用了方程式
卡明斯（Cummins）[4]推導(dǎo)出的“一個任意的、細長的、淹沒在水下的旋轉(zhuǎn)體”
研究一階線性涌浪力、垂蕩力和
俯仰力矩。這兩項研究都只研究了零速度情況和向下傳播的波浪
身體的縱軸。他們的研究得出結(jié)論，當波長
大于體長，解析解可以精確預(yù)測波浪引起的
垂蕩力和涌浪力。他們發(fā)現(xiàn)，解析俯仰力矩解
精度等級。
Klamo等人的后續(xù)研究[9]通過實驗評估了
橫截面幾何形狀對
水面附近的水下航行器。他們的實驗研究側(cè)重于測量
三種不同幾何截面上的波浪荷載和力矩
具有半球形端蓋的主體。這些主體，一個方形橫截面圓柱體、一個水平矩形和一個垂直矩形，其縱橫比分別為1、4和1/4。
他們在一個具有造波能力的拖曳艙中進行了實驗測試。他們的
調(diào)查得出的結(jié)論是，關(guān)于
矩形對線性垂蕩力的縱橫比與實驗結(jié)果不一致
調(diào)查結(jié)果。他們還發(fā)現(xiàn)，載荷與矩形的形狀成正比
比率[9]。
Cho等人[10]進行了約束模型實驗，以分析X平面潛艇的
機動性和靈活性。為了確定潛艇的機動系數(shù)
進行了各種機制的圈養(yǎng)模型實驗，包括水平和
然后使用從
執(zhí)行機動模擬的實驗測量。Cho等人[10]證明，CFD模擬可用于產(chǎn)生可靠的X面潛艇運動
系數(shù)。這些系數(shù)可用于機動仿真和算法
以增強未來的水下航行器設(shè)計。
其中一項數(shù)值研究是由Hayatdavoodi和Ertekin進行的
使用“非線性和非穩(wěn)態(tài)Green Naghdi方程（I級）”進行參數(shù)分析
4.
施加在水平面底部和頂部的非線性波浪荷載的近似值
以及浸沒在淺水中的固定平板[11]。作者首先討論了
適用于水下結(jié)構(gòu)物上非線性波浪誘導(dǎo)力的理論，以及
然后解釋了G-N理論在非線性波浪力中的應(yīng)用
淺水中的水下結(jié)構(gòu)。級別中使用的組件的定義
I方程1.4和1.5，可在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤獨的”
以下G-N方程（I級）的示例
在Ertekin[12]中。還有三維G-N方程可以在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤獨的”
以下G-N方程（I級）的示例
在Ertekin[12]中。Ertekin等人還討論了三維G-N方程
等[13]。
𝜂,𝑡 + (ℎ + 𝜂 − 𝛼)𝑢𝑥 = 𝛼𝑡 (1.4)
𝑢¤ + 𝑔𝜂𝑥 +
𝑝ˆ𝑥
𝜌
= −
1.
6.
[2𝜂 + 𝛼]𝑥𝛼¥ + [4𝜂 − 𝛼]𝑥𝜂¥ + (ℎ + 𝜂 − 𝛼) [ ¥𝛼 + 2.𝜂¥]𝑥 (1.5)
在本研究中，該領(lǐng)域被劃分為四個區(qū)域，以檢查G-N的應(yīng)用
每個方程[11]。Hayatdavoodi和Ertekin開發(fā)了圖1.1，以解決
整個域。
圖1.1。非線性波在水平浸沒板上通過四個區(qū)域的示意圖。資料來源：[11]。
Hayatdavoodi和Ertekin的數(shù)值研究證明了非線性波浪誘導(dǎo)力
可以通過求解G-N來計算浸沒平板的底部和頂部
方程。這項研究的意義可以補充各種實驗
5.
研究淺水結(jié)構(gòu)上的非線性力。
1.4目標和意義
本論文的主要目的是生成一個輪廓形式的數(shù)學(xué)模型
全淹沒波浪荷載非線性分量預(yù)測圖
身體測量了三種不同的載荷，垂蕩力、涌浪力和俯仰力矩
并作為兩個基礎(chǔ)波的波高和波長的函數(shù)進行了研究
構(gòu)成波浪環(huán)境。本論文還旨在實現(xiàn)三個子目標：
（1） 開發(fā)具有波1和波2波長的精細分辨率的圖；(2)
通過進行更多重復(fù)，更好地理解地圖中的不確定性
試驗條件；（3） 能夠檢查波浪高度對地圖的影響。本論文
基于Hermsen[6]的研究并擴展了參數(shù)空間。
本研究的意義在于支持基于模型的系統(tǒng)工程工具
用于設(shè)計未來的水下運載器，以確保運載器的性能和任務(wù)
有效性滿足要求。
本文開發(fā)的等高線圖數(shù)學(xué)模型可用于捕捉
非線性分量隨所經(jīng)歷的特定波浪環(huán)境而變化
通過完全浸沒的車輛。它也可以用于基于模型的系統(tǒng)工程
（MBSE）方法用于民用和國防社區(qū)的未來設(shè)計。總體而言
該研究將有利于海軍使用水下運載工具
國防部（DOD）和其他民用工程團體。結(jié)果將提供
更好地理解影響水下的非線性力和力矩
車輛性能和任務(wù)效率。
6.
第2章：
儀表和傳感器
本章介紹了用于動態(tài)驗證和
實驗測試運行。有兩種不同類型的傳感器用于在
測試和許多儀器為傳感器供電并從中收集信號。
本章將首先介紹傳感器，然后介紹支持儀器。最后
有顯示整個組件組件的圖形表示。
2.1稱重傳感器
本研究使用了先進機械技術(shù)股份有限公司（AMTI）UDW3防水材料
應(yīng)變計測壓元件，用于測量身體上的三個感興趣的力和力矩。
稱重傳感器充油，其結(jié)構(gòu)由熱處理不銹鋼制成。它
內(nèi)置壓力囊，平衡稱重傳感器的內(nèi)部和外部壓力。
因此，即使它被淹沒到一定深度，精確的力和力矩讀數(shù)也是
可能的稱重傳感器可以使用四個1/4“-20螺紋連接到其他硬件上
設(shè)備兩端的孔。圖2.1描述了UDW3稱重傳感器的圖片。圖2.2
顯示了UDW3稱重傳感器尺寸的草圖。有關(guān)稱重傳感器的更多信息
可以在AMTI的網(wǎng)站上找到各種負載能力[14]。
圖2.1：。UDW3稱重傳感器。
7.
圖2.2。UDW3稱重傳感器尺寸。資料來源：[14]。
2.2 Senix聲學(xué)探頭
實驗裝置使用超聲波探頭進行兩種不同的距離測量。
超聲波探頭的工作原理是發(fā)出聲波脈沖，然后測量到達
反射脈沖的返回。這段時間被轉(zhuǎn)化為一段距離，假設(shè)
介質(zhì)是空氣。具體而言，我們使用了SENIX ToughSonic 14探頭（型號：TSPC30S1-485），其工作范圍為4英寸至168英寸。圖2.3描述了
ToughSonic 14探頭。探頭的第一次應(yīng)用是測量波浪高度
通過將四個探頭從牽引箱上方指向水面。通過刪除
測試前測得的靜水距離，測試運行期間測得的距離
轉(zhuǎn)換為波浪高程。探針的第二次應(yīng)用是驗證
造波楔du的運動 |
