0-85585

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(1-13)
بررسی عددي حرکت شتابدار یک ربات زیر آبی و تعیین ضرایب جرم افزوده آن
احسان جوانمرد1*، شهریار منصورزاده2

کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، پژوهشکده علوم و فناوري زیر دریا، دانشگاه صنعتی اصفهان؛[email protected]
استادیار ،پژوهشکده علوم و فناوري زیر دریا، دانشگاه صنعتی اصفهان؛[email protected]
شامل تمامی نیروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی وارد بر شناور است که به صورت ضرائب هیدرودینامیکی بیان میشوند. ضرائب جرم افزوده1 بخش مهمی از این ضرائب هیدرودینامیکی را شامل 1- مقدمه
دینامیک حرکت شناورهاي زیر سطحی توسط مدلهاي ریاضی دقیقی موسوم به مدل دینامیکی تحلیل می شود. مدل دینامیکی
26151849126728

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله روش جدیدي جهت استخراج ضرائب جرم افزوده یک ربات زیرآبی پیشنهاد شده است. در این روش، حرکت شتاب دار ربات بصورت عددي شبیه سازي شده و نیروهاي ناشی از سرعت و شتاب آن استخراج و از آنجا ضرائب جرم افزوده محاسبه می گردد. جهت اعتبار سنجی روش پیشنهادي، ضرایب جرم افزوده یک بیضیگون با استفاده از روش حاضر محاسبه و با نتایج تحلیلی موجود براي بیضیگون مقایسه شده است. نتایج عددي حاصله تطابق خوبی با نتایج تحلیلی داشته و میتوان از آن جهت استخراج ضرایب جرم افزوده هندسه هاي پیچیده تر نظیر شناور هوشمند زیر آبی پژوهشکده علوم و فناوري زیردریا استفاده نمود. نتایج عددي حاصله انطباق قابل قبولی با نتایج تجربی تستهاي مکانیزم حرکت صفحه اي انجام شده در پژوهشکده علوم و فناوري زیردریا نشان میدهد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 10/08/ 1393 تاریخ پذیرش مقاله: 04/08/1394

کلمات کلیدي:
جرم افزوده
ربات هوشمند زیرآبی
دینامیک سیالات محاسباتی حرکت شتابدار
مکانیزم حرکت صفحه اي

Numerical Investigation of an Underwater Vehicle Accelerated Motion and Determination of Its Added Mass Coefficients.

Ehsan Javanmard1*, Shahriar Mansoorzadeh2
MSc in Mechanical Engineering, Subsea Science & Technology Center, Isfahan University of Technology; [email protected]
Assistance Professor, Subsea Science & Technology Center, Isfahan University of Technology; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 1 Nov. 2014
Accepted: 26 Oct. 2015
In this paper a new method is suggested to calculate added mass coefficients of an underwater vehicle. In this method linear accelerated motion of the underwater vehicle is numerically simulated. Velocity and acceleration related forces, are extracted from the simulation results, from which the added mass coefficients are extracted. In order

Keywords:
Added mass
Autonomous Underwater Vehicle
Computational Fluid Dynamic Accelerated motion
Planar Motion Mechanism

to validate the obtained results, initially, the added mass coefficients of an ellipsoid are calculated with the use of the present method and compared with the available corresponding analytical results. The obtained results from the suggested numerical method agreed well with those obtained from the analytical method, indicating that the present method can be used to obtain the added mass coefficients of more complicated geometries, including the underwater vehicle model constructed in Subsea Research and Development Centre. In addition, the numerically obtained results agreed well with the experimental results recently obtained, using the Planar Motion Mechanism tests conducted in Subsea Research and Development Centre. جدول 1- مشخصات فنی ربات هوشمند زیرآبی

توضیحات مشخصه
Torpedo شکل
1/45 طول(m)
0/23 قطر(m)
45 وزن(kg)
20 بیشینه عمق عملیات(m)
2/5 بیشینه زمان عملیات(hr)
Naca0015 سطوح کنترلی
1/5 بیشینه سرعت افقی(1-m.s)
0/0556 حجم(3m )
میشود که نقش آن ارائه رفتار دینامیکی شناور در شرایطی است که شناور داراي حرکت شتابدار باشد. این حالت معمولاً علاوه بر زمان شتاب گیري یا توقف در مانورهاي تغییر عمق و جهت رخ می دهد و عدم پیش بینی درست ضرائب جرم افزوده مرتبط با آن منجر به ناکارآمدي مدل دینامیکی در کنترل هوشمند ربات و درنتیجه عدم مانورپذیري ربات خواهد شد. در پژوهش حاضر هدف استخراج ضرائب جرم افزوده ربات هوشمند زیرآبی2 پژوهشکده علوم و فناوري زیر دریا در راستاي طولی و عرضی است. شکل 1 تصویري از ربات مورد نظر را نشان میدهد. در جدول 1 نیز مشخصات فنی این ربات ارائه شده است.
304800173159

2- ضرائب هیدرودینامیکی ربات در حالت خطی
نیروها و گشتاورهاي وارد بر یک شناور زیرسطحی معمولاًمعمولا داراي
مقادیر ثابتی نمی باشند و تابعی از سرعت بدنه، نوع حرکت و مانور وسیله و نیز شکل هندسی بدنه هستند، به همین دلیل در مباحث هیدرودینامیکی این نیروها به صورت حاصل ضرب ضرائب هیدرودینامیکی در سرعت ها و شتاب هاي خطی و زاویه اي بیان میشوند. براي تشریح ضرائب هیدرودینامیکی، یک ربات زیر سطحی مطابق با شکل 2 را در نظر بگیرید. برروي این ربات دو دستگاه مختصات قابل تعریف است که عبارتند از دستگاه مختصات اینرسی3 و دستگاه مختصات متصل به بدنه4. مبدأ دستگاه مختصات اینرسی یک نقطه مشخص از فضا است درحالیکه مبدأ دستگاه مختصات متصل به بدنه دقیقاًدقیقا روي مرکز شناوري جسم قرار میگیرد. محورهاي مختصات، مولفههاي سرعت خطی و سرعت زاویهاي در شکل 2 نشان داده شده است .
نیروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی وارد بر ربات با شش درجه آزادي حرکت در حالت خطی در رابطه( 1) ارائه شده است. این روابط بیانگر مدل دینامیکی ربات هستند که با استفاده از مفهوم مشتقات هیدرودینامیکی بیان شده اند. استخراج ضرائب هیدرودینامیکی موجود در این روابط جهت انجام هرگونه تحلیل هیدرودینامیکی بر روي ربات الزامیست.
341376099317

نوع نیروهاي هیدرودینامیکی که به شناور وارد میشوند به دو دسته ضرائب استهلاك و ضرائب جرم افزوده تقسیم کرد. در شرایطی که سرعت شناور ثابت باشد، نیروهاي درگ و لیفت ،نیروهاي مقاوم وارد بر شناور خواهند بود. این نیروهاي هیدرودینامیکی تنها تابعی از شکل بدنه و سرعت آن بوده و به نیروهاي هیدرودینامیکی سرعت و ضرائب هیدرودینامیکی آنها به ضرائب استهلاك مشهور میباشند .
شکل 1- ربات هوشمند زیرآبی دانشگاه صنعتی اصفهان بنابراین باتوجه به مدل دینامیکی ارائه شده در رابطه( 1)، ضرائب
، ، ، ، ، ، ، ، ، ، ،
، ، ، ضرائب هیدرودینامیکی استهلاك میباشند.

شکل 2- نمایش دستگاه هاي مختصات و مولفه هاي سرعت خطی و زاویه اي

=+̇ ̇ +
=++̇̇ +̇ ̇ +
=++̇̇ +̇ ̇ +
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017

=+̇̇
=++̇̇ +̇ ̇
+
=++̇̇ +̇ ̇ + (1)

ضرائب هیدرودینامیکی یک شناور زیر سطحی را میتوان برحسب چنانچه بدنه شناور در صفحه افقی و یا عمودي تغییر سرعت و یا تغییر جهت داشته باشد، نیروهاي دیگري نیز بر بدنه وارد خواهند شد. مقادیر این نیروها وابسته به مقادیر شتابهاي زاویهاي، انتقالی و یا شتاب هاي کوریولیس5 میباشد و به همین علت به نیروهاي هیدرودینامیکی شتاب و ضرائب هیدرودینامیکی آنها به ضرائب جرم افزوده معروفند. این ضرائب در مدل دینامیکی ارائه شده در
رابطه( 1) شامل ضرائب ̇ ، ̇، ̇ ، ̇ ، ̇ ̇، ، ̇ ، ̇ ، ̇ ، ̇ می باشند. جرم افزوده در واقع به مقدار جرمی از سیال اطلاق میشود که به علت شتاب گرفتن وسیله درون سیال همراه با وسیله حرکت می کند[1]. درحالت کلی ممکن است وسیله در یک جهت شتاب بگیرد ولی اثرات جرم افزوده ناشی از آن به آن جهت محدود نشود و در جهات دیگر نیز برروي ربات اثر گذار باشد از اینرو جرم افزوده براي یک ربات زیر سطحی با شش درجه آزادي حرکت، بوسیله یک ماتریس شش در شش بیان می شود .این ماتریس در حالت کلی به فرم زیر نمایش داده می شود:

⎡̇̇̇̇̇̇ ⎤
⎢̇̇̇̇̇̇ ⎥
⎢̇̇̇̇̇̇ ⎥ (2)
⎢̇̇̇̇̇̇ ⎥
⎢̇̇̇̇̇̇̇ ⎥
⎣̇̇̇̇̇̇ ⎦

هر سطر از این ماتریس معرف نیروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی است که بواسطه یکی از مولفه هاي شتاب خطی یا زاویه اي به ربات وارد میشوند. به عنوان مثال سطر اول این ماتریس بیانگر نیروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی است که بعلت شتاب خطی سرج ( ̇) در راستاهاي مختلف به ربات وارد میشوند یا سطر پنجم معرف نیروها و گشتاورهایی است که بواسطه مولفه شتاب زاویه اي پیچ (̇) در راستاهاي مختلف به ربات وارد میشوند. براي ربات تحت بررسی در پژوهش حاضر بواسطه تقارن در دو صفحه افقی و عمودي بخشی از ضرائب این ماتریس قابل اغماض هستند و ماتریس جرم افزوده به فرم زیر ساده خواهد شد:

̇00000
⎡ 0̇000̇ ⎤
⎢⎥
⎢ 00000 ̇0 ̇0 ̇00 ⎥⎥ (3)

⎢ 00̇0̇0 ⎥
⎣ 0̇000̇ ⎦

بنابراین در مدل دینامیکی ارائه شده در رابطه( 1) صرفاً آرایه هاي این ماتریس دیده میشود. در پژوهش حاضر هدف استخراج دو ضریب جرم افزوده ̇ و ̇ است. به دلیل تقارن هندسی نیز
. ̇ =̇

3- روشهاي استخراج ضرائب جرم افزوده و پژوهشهاي انجام شده در این زمینه
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:08 +0330 on Monday October 30th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید