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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，
因此，對于小型水下航行器來說，它們更值得關注。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�？梢钥焖夙憫�
足以應付他們。
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，將使未來的車輛設計能夠解決這些負載
在設計過程早期，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
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)工程用途的旋轉體形狀。然而，非線性負載是
不太了解。預測它們需要從
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
全淹沒結構上的非線性波浪力和力矩。本節(jié)
首先總結了實驗研究，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構。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
研究以估計水下結構物上的波浪誘導力和力矩[3]。
作者研究了預測單個線性阻力和垂直力的能力
在復雜的雙組分海道中。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方程關于線性波浪力和力矩的擴展討論。Whitmer[3]得出結論，對于所研究的波高和頻率，線性疊加
是預測淺水區(qū)波浪力和力矩的可行分析
結構。
Klamo等人[7]和Turner等人[8]進行了實驗研究，通過關注涌浪力、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，然后進行了研究
準確性評估期間這些假設的重要性。他們使用了方程式
卡明斯（Cummins）[4]推導出的“一個任意的、細長的、淹沒在水下的旋轉體”
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。他們的研究得出結論，當波長
大于體長，解析解可以精確預測波浪引起的
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)查得出的結論是，關于
矩形對線性垂蕩力的縱橫比與實驗結果不一致
調(diào)查結果。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
適用于水下結構物上非線性波浪誘導力的理論，以及
然后解釋了G-N理論在非線性波浪力中的應用
淺水中的水下結構。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，該領域被劃分為四個區(qū)域，以檢查G-N的應用
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.
研究淺水結構上的非線性力。
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)學模型
全淹沒波浪荷載非線性分量預測圖
身體測量了三種不同的載荷，垂蕩力、涌浪力和俯仰力矩
并作為兩個基礎波的波高和波長的函數(shù)進行了研究
構成波浪環(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，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
用于設計未來的水下運載器，以確保運載器的性能和任務
有效性滿足要求。
本文開發(fā)的等高線圖數(shù)學模型可用于捕捉
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)的未來設計�？傮w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股份有限公司（AMTI）UDW3防水材料
應變計測壓元件，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，其結構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。這段時間被轉化為一段距離，假設
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
轉換為波浪高程。探針的第二次應用是驗證
造波楔du的運動 |
