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2022年 第30卷  第5期

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基础研究
基于柔性摩擦纳米发电机的水下能量收集技术研究
刘翔宇, 王岩, 王昊, 徐敏义
2022, 30(5): 543-549. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112016
摘要:
由大量无线传感器节点组成的海洋分布式传感器网络对于海洋开发和保护至关重要,这些传感器以蓄电池供电为主, 难以长时间工作, 因此需研发海洋环境能量收集装置来提高分布式传感器的续航能力。文中基于摩擦纳米发电原理,提出了一种由柔性高分子薄膜以及导电油墨构成的柔性摩擦纳米发电机, 在波浪或洋流的作用下, 柔性摩擦纳米发电机产生振动, 实现机械能—电能能量转换。在建立柔性摩擦纳米发电机动力学和发电模型的基础上, 创新性地探究其分别在波浪和海流作用下的运动模态和发电性能。研究结果表明, 柔性摩擦纳米发电机的输出性能在一定范围内随着振幅、频率、流速的增加而增大, 同时并联功率随个数的增加而增大。文中提出的基于柔性摩擦纳米发电机的水下能量收集技术为实现海洋分布式传感器自供能提供了新的思路。
基于GWO-LSSVM的锂离子电池健康状态估算
李炬晨, 胡欲立, 高剑, 曾立腾, 郑乙, 代文帅
2022, 30(5): 550-557, 566. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109007
摘要:
针对目前应用于电池健康状态(SOH)估算的算法需用大量数据样本来进行训练且估算效果不佳的问题, 提出了一种基于灰狼优化(GWO)算法的最小二乘支持向量机(LSSVM)算法来估算电池SOH, 依据灰色关联度分析法筛选出恒流充电时间作为适合估算电池SOH的输入特征参数。以18650钴酸锂电池充放电循环试验为例, 采用所建立的算法模型在不同比例的训练集样本下对不同容量规格的电池进行SOH估算, 并将估算结果与基于网格搜索法的LSSVM算法、基于粒子群优化算法的LSSVM算法的估算结果进行对比, 结果表明, 基于GWO算法的LSSVM算法模型适用于小样本数据且估算误差较小, 用于电池SOH估算的效果更好。
一种无人水下航行器用核反应堆电源概念设想
郭键, 俞荣君, 安伟健, 王傲, 李来冬, 高剑, 李晓慧
2022, 30(5): 558-566. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201008
摘要:
兼具高速和长航程的无人水下航行器可以拓展许多新的作战模式, 动力系统是其瓶颈之一, 而核动力是解决这一问题的有效途径。核反应堆电源系统小型化是技术难点。文中在结合了水冷热中子反应堆和温差发电技术的基础上, 简化系统架构, 优化设备布置方案, 提出了一种外径小于 533 mm, 长度不超过 3 m、重量不超过 750 kg、具备输出 100 kW 电功率能力的核反应堆电源概念方案, 有望使核动力无人水下航行器具备由通用海军舰艇携带, 并从 533 mm 鱼雷发射管投放的能力, 增大了任务灵活性。通过采用低燃料装量的反应堆构型、尽量使用成熟技术等手段, 核动力系统的成本可显著降低, 具备批量生产的潜力。在对核物理、热工、流体及力学等关键参数估算后, 初步证明了该方案的可行性。
水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析
赵宏昌, 黄桥高, 刘静
2022, 30(5): 567-574. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
摘要:
水下滑翔机变浮力装置在工作时其驱动电机和泵产生的热量会对其内部结构产生影响, 导致装置无法正常运行。针对这一问题, 采用有限元方法, 建立了变浮力装置热力学仿真模型, 先对变浮力装置的活塞在理想匀速运动状态时在不同海水深度下到达热平衡时的温度场分布进行了仿真计算, 获得了变浮力装置的温度随海水深度的变化规律。结果表明: 在所选不同海水深度的工况中, 海水深度为500 m时温度最低, 在海面时温度最高; 在海面处和100 m海深时, 变浮力装置到达热平衡时的最高温度存在于右侧活塞上, 分别为31.49℃和26.90℃, 在所选其他海水深度的工况下装置到达热平衡时的最高温度均存在于泵模型的压盖上。文中同时对不同电机转速到达热平衡时的温度场分布进行了仿真, 获得了1 500 m海深下变浮力装置温度随电机转速的变化规律, 可知电机转速为5 000 r/min时, 装置到达热平衡时的温度最高, 为40.95℃, 存在于泵模型的压盖上。根据仿真结果获得了该装置运行时温度较高的位置, 为判别装置工作时由于温度过高而影响关键部件正常运行的可能性提供参考。
基于THINC/QQ格式的超空泡鱼雷三维流场特性及水动力性能优化研究
肖腾, 谢彬, 杜艳平
2022, 30(5): 575-585. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112002
摘要:
为了研究超空泡鱼雷的超空泡形态演化及水动力特性, 采用开源软件OPENFOAM对超空泡鱼雷自然空泡的复杂流动过程进行了三维数值仿真研究。首先, 基于THINC/QQ格式、剪切应力传输k-ω湍流模型以及Schnerr-Sauer空化模型在非结构网格上建立了不可压缩流体体积函数多相流模型, 并通过与水洞实验案例对比验证了该求解器的准确性。在此基础上, 该研究对无尾翼鱼雷模型开展了不同速度、不同空化器形状以及不同表面浸润性条件下的超空泡流动数值仿真, 给出了典型工况下超空泡鱼雷的三维流场演化过程以及水动力变化规律, 对比了多种空化器形状和尺寸参数的超空泡流场和水动力特性。结果表明: 具有一定锥度或者本身阻力系数较小的空化器可有效降低航行阻力, 但因损失空泡体积可能会降低航行稳定性。文中还新颖地研究了鱼雷表面材料亲疏水性及其布置位置对超空泡水动力性能的影响, 可为超空泡减阻领域的相关研究提供参考。
深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究
赵志超, 李天辰, 谷海涛, 高浩
2022, 30(5): 586-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
摘要:
为提高深海无动力运载器上浮响应速度, 满足任务载荷出水姿态要求, 文中考虑洋流和浮力变化影响, 基于四元数法和自主水下航行器空间运动方程, 建立了运载器空间运动仿真模型, 解决了大纵倾角和垂直上浮姿态求解奇异问题, 探究了净浮力、重浮心距离、舵角、初始发射条件及海洋环境扰动对运载器纵倾上浮运动的作用规律。结果表明: 基于四元数法的深海运载器空间运动方程, 能有效避免运载器大纵倾角或垂直姿态上浮时姿态求解奇异问题; 无动力运载器采用大纵倾角和垂直姿态上浮, 可实现较大上浮垂向速度, 减少其水平面漂移距离; 浮力变化扰动和初始发射条件对运载器上浮状态影响较大。相关研究为无动力运载器总体布局以及大纵倾角和垂直上浮运动预报提供了参考。
工作深度对水下滑翔机运动状态影响研究
叶效伟, 刘艳敏, 张文忠, 刘一夫, 姚志崇
2022, 30(5): 597-604. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202104016
摘要:
驱动水下滑翔机运动的净浮力约占水下排水量的0.5%, 其微小变化都会对滑翔运动状态产生重要影响。滑翔过程中, 随深度而变化的海水密度和压力会导致排水量发生变化, 引起净浮力变化, 进而影响水下滑翔机的稳定运动状态。文中利用动力平衡方程研究净浮力变化对稳态滑翔运动状态的影响, 将排水量随深度变化的数学模型和动力学模型相结合, 通过仿真研究滑翔深度对滑翔运动状态的影响。研究表明: 因深度影响, 水下滑翔机的运动是动态平衡的滑翔运动, 而非稳定的平衡滑翔运动; 排水量-深度变化主要影响滑翔速度, 对滑翔姿态影响相对较小; 没有额外调节时, 下潜阶段滑翔速度先减小后增加, 上浮阶段先增加后减小; 此外, 可以通过功耗比较小的内部滑动质量的调节平衡净浮力变化对滑翔姿态的影响。文中的工作可为使用滑翔机进行精准控制开展海洋环境监测和探测提供参考。
基于UNDERWATER-CUT模型的水下图像增强算法
姚鹏, 刘玉会
2022, 30(5): 605-611. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111004
摘要:
针对水下图像的颜色失真和对比度失衡问题, 提出了一种基于UNDERWATER-CUT模型的弱监督水下图像增强算法。该算法网络训练时无需成对训练集, 通过图像分块的方式构建对比学习正负样本, 约束了图像生成的内容。使用了结构相似性损失函数对水下图像增强进行约束, 确保CUT模型在对水下图像域到脱水图像域进行转换过程中的物体结构不变。同时还使用alignment和uniformity 2个简单函数的线性组合来近似逼近CUT模型的InfoNCE损失函数, 使得改进后的模型训练更容易收敛到最优值。实验结果证明经过文中算法增强后的图像, 颜色失真得到极大的修正, 图像中的物体结构和修复前的图像基本一致。
基于小样本条件下水下回波生成方法
王晨宇, 刘礼文, 刘罡, 李博, 杨云川
2022, 30(5): 612-620. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108015
摘要:
在人工智能引领的浪潮下, 将深度学习方法应用在水下目标识别领域已经成为当前研究的热点之一。然而, 在实际科学研究中由于受环境、时间、成本等多方面因素的限制, 水下样本数据的获取变得极其困难, 样本总量的不足导致深度学习模型的训练效果不佳。生成对抗网络作为一种新的人工智能技术, 在数据增强、图像生成等领域具有广泛的应用。然而, 传统结构的生成对抗网络模型对水下回波样本并不适用, 不能直接用于样本数据生成。因此, 针对水下目标数据不足问题, 提出了基于改进型生成对抗网络的小样本条件下水下回波信号生成方法, 结合回波信号的特点, 设计并搭建了基于卷积单元的生成对抗网络模型, 并且利用水池实验测试数据进行了回波信号生成仿真实验。最后在信号波形和幅度概率分布层面验证了生成信号的有效性。实验结果表明, 文中提出的改进型生成对抗网络模型适用于小样本的情况下高度逼真原始回波信号的生成, 为水下目标的主动探测、识别提供了新的思路。
基于多种群遗传算法的多UUV任务分配方法
范学满, 薛昌友, 张会
2022, 30(5): 621-630. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107001
摘要:
多无人水下航行器(UUVs)协同侦察任务分配方案的优劣关系到作战效能甚至任务成败。文中针对传统遗传算法存在过早收敛、效率不高等问题, 提出一种人机融合的多种群遗传算法, 用于多基地、多目标、多约束的多UUV协同侦察任务分配。该算法通过引入多种群对解空间进行协同搜索, 可更好地平衡全局寻优和局部搜索能力, 突破经典遗传算法仅靠单种群进行寻优的性能瓶颈; 另外, 以人类先验知识作为启发信息辅助种群进行初始化, 提高算法收敛效率; 引入“遗忘策略”, 缓解可能出现的进化不完全问题。基于典型想定进行仿真实验, 结果表明, 提出的多种群遗传算法具有较强的鲁棒性和较高的寻优效率, 可以得到高品质的协同任务分配方案。
助飞鱼雷模态振型斜率仿真计算
王升, 白治宁, 郭君
2022, 30(5): 631-635. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112006
摘要:
针对助飞鱼雷长细比较大以及连接结构复杂多样的特点, 文章提出了助飞鱼雷动力学仿真建模方法, 对楔环、止推块以及卡箍连接等主要连接结构进行详细建模; 完成了助飞鱼雷全雷模态计算以及振型向量的提取, 并计算了惯组安装位置的振型斜率, 为姿控系统设计输入参数以及惯组安装位置的确定提供了分析方法。
工程应用
全海深沉积物力学特性智能施测系统设计
迟书凯, 韩涛, 葛宪威
2022, 30(5): 636-643, 649. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112021
摘要:
海洋研究开发已经进入全海深技术时代, 具备全海深能力的沉积物力学特性施测系统对于海底资源探测与研究领域至关重要。以沉积物力学特性原位测试系统为研究对象, 基于全海深沉积物土力学试验规范与惯例, 结合全海深环境的通信难度大、不确定因素多以及全海深沉积物抗剪切强度变化范围小、力学特性受海水压影响的特点, 设计了具备全海深静力触探测试、十字板剪切测试和全流动贯入测试及原位采样功能的智能施测系统。系统的实现依靠硬件上的 ARM+FPGA 结构和软件上的状态机设计模式, 在反应能力和容错能力上达到全海深测试要求。一系列样品土和海域实验证明系统具备全海深工作和准确测试沉积物土力学特性能力。
AUV 圆柱电池舱锂离子电池组模块化设计
宋德勇, 何巍巍, 李邦鹏, 郑鹏, 杨申申, 王磊
2022, 30(5): 644-649. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112009
摘要:
电池组容量和可靠性直接影响着自主水下航行器(AUV)的航程、安全和总体性能。文中针对某AUV能源系统的技术指标, 基于模块化和双冗余设计思想, 选择21700锂离子电池作为单体电芯进行电池组设计, 单模块充分利用圆柱电池舱内部空间提高电池组容量, 多模块串并联的结构方便定位故障和进行维护, 2个电池组并联的方式使其具有更高的可靠性。试验结果显示其系统能量密度可达200 Wh/kg, 表明进行模块化设计的电池组具有较高的能量密度和可靠性, 提高了电池组的可维性。
载人潜水器浮标收放绞车设计
姚晨佼, 罗升
2022, 30(5): 650-655. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112007
摘要:
针对载人潜水器深海长时间作业时有缆中继浮标的定位及通信需求, 结合载人潜水器绞车在作业舱内水下环境工作、载人舱内智能控制的工作特点, 提出了适合载人潜水器的水下浮标收放绞车技术方案, 阐述了水下浮标收放绞车的工作原理、结构组成、主要性能参数计算以及液压和控制系统。结果显示该设计方案满足了载人潜水器浮标收放的工作需求, 为该类型的绞车设计提供参考。
超空泡鱼雷命中概率解析方法
谢超, 周景军, 万亚民, 宋书龙, 王梦豪
2022, 30(5): 656-664. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111002
摘要:
建立超空泡鱼雷命中概率的解析模型, 是明确鱼雷射击过程中各项误差源影响规律的有效途径。文中针对超空泡鱼雷直航攻击过程, 考虑平台探测误差和鱼雷航行误差的影响, 建立了鱼雷脱靶量散布模型。同时考虑目标水线面对命中概率的影响, 建立了目标命中范围模型, 并且通过理论分析提出将目标运动误差统一到平台探测误差上, 既能保证计算准确度, 还可有效避免目标二维散布带来的建模困难问题。在此基础上, 建立了超空泡鱼雷命中概率解析模型, 通过与统计方法的对比, 验证了解析模型的计算准确性。此外, 文中还通过灵敏度分析, 明确了初始视线角的探测误差和鱼雷航向误差是对命中概率影响最大的误差源, 可为超空泡鱼雷作战效能的提升提供参考。
基于全寿命周期的拦截弹贮存寿命评估方法
马浩文, 熊勇, 吴孪淳
2022, 30(5): 665-670. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202009
摘要:
针对现有条件下无法对拦截弹贮存寿命进行真实考核的问题, 基于全寿命周期理论, 对拦截弹贮存寿命进行评估。首先依据拦截弹寿命剖面、贮存剖面以及贮存环境剖面进行拦截弹寿命设计; 然后结合拦截弹产品技术准备和试验, 对影响拦截弹贮存寿命的主要组件和材料进行分析; 通过对影响贮存寿命的主要组件及材料分别开展寿命评估和寿命试验, 以及采信相关试验、其他相似产品或已有资料等数据和结论, 开展电子部件寿命评估等方式, 对拦截弹寿命进行综合评估。该方法能够为其他弹药类产品贮存寿命评估提供参考。
攻击型UUV效能评估系统设计
邹启明, 宋书龙, 彭远鸣, 王梦豪, 周景军
2022, 30(5): 671-676. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109019
摘要:
为解决攻击型无人水下航行器(UUV)作战使用、方案论证、研制、试验和训练等问题, 文中设计了一种适用于攻击型UUV的效能评估系统, 模拟对抗综合仿真平台和组件化的水声物理场效应模型, 构建不同的攻防作战想定和试验设计方案, 可支持实现攻防对抗仿真全过程, 实现对攻击型UUV的远航程精确打击效能评估。通过对水下攻防对抗仿真模型验证评估案例, 得到效能评估置信度。该系统可为攻击型UUV效能评估和辅助决策提供参考。
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