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水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析

程顺钊 汪俊 梁晓锋 王健

程顺钊, 汪俊, 梁晓锋, 等. 水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
引用本文: 程顺钊, 汪俊, 梁晓锋, 等. 水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
CHENG Shunzhao, WANG Jun, LIANG Xiaofeng, WANG Jian. Quantitative Analysis of Uncertainty at the End of the Towed Cable in Underwater Towing Systems[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
Citation: CHENG Shunzhao, WANG Jun, LIANG Xiaofeng, WANG Jian. Quantitative Analysis of Uncertainty at the End of the Towed Cable in Underwater Towing Systems[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085

水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
基金项目: 国家自然科学基金(52071215); 上海交通大学深蓝计划(SL2022MS003).
详细信息
    作者简介:

    程顺钊(1998-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下拖曳系统运动响应预报

    通讯作者:

    梁晓锋(1976-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为水下无人系统总体设计、水面水下无人系统协同、基于无人系统的水下非声(电磁)探测以及大型装备(舰艇)可靠性与智能健康管理

  • 中图分类号: P75; U666

Quantitative Analysis of Uncertainty at the End of the Towed Cable in Underwater Towing Systems

  • 摘要: 在多变的海洋环境中, 水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低, 提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集, 并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型, 根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性, 同时与MC方法进行对比。结果表明: 相比于MC方法, PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快, 精度更高; 运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系; 缆长增大将导致末端的不确定性增大, 且增大趋势逐渐平缓; 拖缆参数不确定性一定时, 增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时, 拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。

     

  • 图  1  LMM物理模型

    Figure  1.  LMM physical mode

    图  2  末端质点坐标分量的标准差计算结果

    Figure  2.  Calculation results of standard deviation of end particle coordinate components

    图  3  误差指标随基函数阶数和样本数量的变化

    Figure  3.  Variation of error with order of basis function and number of samples

    图  4  PC方法与MC方法末端质点坐标分量的标准差计算结果

    Figure  4.  Comparison of calculation results between PC method and MC method

    图  5  末端质点标准差随轴向长度变化曲线

    Figure  5.  The standard deviation of the end particle changes with axial length

    图  6  末端质点标准差随缆长变化曲线

    Figure  6.  Standard deviation of end particle changes with cable length

    图  7  末端质点标准差随母船航速变化曲线

    Figure  7.  The standard deviation of the end particle changes with the speed of the mother ship

    表  1  不确定性量化考虑的8个主要输入参数

    Table  1.   Eight main input parameters considered for uncertainty quantification

    变量拖缆参数数值
    x1缆长/m3.660
    x2直径/m0.003 05
    x3切向阻尼系数0.051 1
    x4法向阻尼系数1.200
    x5线密度/(kg/m)0.400
    x6水流速率/(m/s)1.542
    x7液体密度/(kg/m3)1 024
    x8重力加速度/(m/s2)9.800
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    表  2  拖缆参数分布

    Table  2.   Distributions of towed cable parameters

    变量分布
    x1/mx1~N(3.66, 5.36×10−3)
    x2/mx2~N(3.05×10−3, 8.37×10−9)
    x3x3~N (5.11×10−2, 2.35×10−6)
    x4x4~N (1.2, 1.30×10−3)
    x5/(kg/m)x5~N (4×10−1, 1.44×10−4)
    x6/(m/s)x6~N (1.542, 2.14×10−3)
    x7/(kg/m3)x7~N (1.024×103, 9.44×102)
    x8/(m/s2)x8~N (9.8, 8.64×10−4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-10
  • 修回日期:  2023-08-28
  • 录用日期:  2023-10-10
  • 网络出版日期:  2024-01-29

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