本發明涉及海洋工程船載拖曳領域，特別是一種拖曳式傳感器陣列系統的深度預測方法。其包括以下步驟：拖纜離散、耦合三維建模、數值模擬、拖曳式水下航行器的動力學模型建立及求解、集中質量點的平衡方程建立及求解、深度預測。基于集中質量法和計算流體動力學對拖曳式傳感器陣列系統的水動力特性和深度預測進行研究，通過建立和求解穩態的動力學模型，推導出傳感器集成模塊和拖纜在水下的深度和姿態，為拖曳式傳感器陣列系統的設計與應用奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及海洋工程船載拖曳領域，特別是一種拖曳式傳感器陣列系統的深度預測方法。

背景技術

拖曳系統由于高效率和高可靠性在海洋探測中發揮著重要作用。拖曳式傳感器陣列系統主要包括母船、絞車、拖纜、傳感器集成模塊和拖曳式水下航行器，布置在母船后的甲板上進行作業，具有強非線性和時變性特點。拖纜、模塊和拖曳式水下航行器的水動力特性對整個系統的動態響應及深度控制有顯著影響。

為了掌握拖曳系統在不同工況下的運動特性，眾多科研人員開展了廣泛的研究。但是針對拖曳式傳感器陣列系統的水動力特性研究并不多見，且沒有通用的模型描述拖纜長度與入水深度的關系。因此，提出一種方法預測拖曳式傳感器陣列系統的深度和水下姿態，對水下探測及操縱具有指導意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提出了一種拖曳式傳感器陣列系統的深度預測方法，基于集中質量法和計算流體動力學對拖曳式傳感器陣列系統的水動力特性和深度預測進行研究，通過建立和求解穩態的動力學模型，推導出傳感器集成模塊和拖纜在水下的深度和姿態，為拖曳式傳感器陣列系統的設計與應用奠定了基礎。

本發明的技術方案是：一種拖曳式傳感器陣列系統的深度預測方法，其中，包括以下步驟，

S1.將柔性拖纜離散為數段剛性連桿，圓柱形的拖纜具有均勻分布的密度和質量，設相鄰兩剛性連桿之間的連接點為節點，各剛性連桿的中部為集中質量點；

S2.對傳感器集成模塊與數段拖纜進行耦合三維建模，傳感器集成模塊設置在各剛性連桿的集中質量點處，把傳感器集成模塊作為集中質量點；

S3.根據步驟S2中建立的三維模型，完成網格劃分并進行數值模擬，拖纜與水平方向之間的夾角在0到90°范圍內、且拖纜采用不同的速度前進時，計算作用在各集中質量點上的法向力和切向力，推導出對應的阻力和升力，建立水動力特性數值模擬的數據集；

S4.將拖曳式水下航行器作為末端集中質量點和節點，建立拖曳式水下航行器的動力學模型，并根據步驟S3中的數值模擬結果進行求解，數值模擬時拖曳式水下航行器始終處于零攻角姿態；

S5.采用遞推法自下而上依次建立每個剛性連桿的集中質量點的平衡方程，采用假設和逐步逼近的方法計算每段剛性連桿與水平面的夾角；

S6.推導出每個節點的坐標并擬合拖纜的位姿，預測拖曳式傳感器陣列系統的深度分布。

本發明中，步驟S1中，根據模塊的安裝距離確定離散長度，離散后的剛性連桿的長度相同或部分相同。

步驟S2中，基于SolidWorks進行三維建模；

所述傳感器集成模塊為流線型，傳感器集成模塊的外殼采用上下分體式，傳感器包裹在外殼的內部，殼體上設計水道，模塊通過不銹鋼座安裝到拖纜上；

所述拖曳式水下航行器的尾部設有導流翼。

步驟S3中，數值模擬的邊界條件設置為速度入口、壓力出口，拖纜、傳感器集成模塊和拖曳式水下航行器均為無滑移的靜止壁面，流體介質為海水，海水的密度為1025kg/m³，且海水密度均勻。