水下拖索和锚索系统三维数学建模及应用
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摘要
水下拖曳系统和锚索系统广泛应用于海底地貌观察、底层水文资料收集、猎潜、扫雷、水雷等方面。目前对水下拖索的研究只限于平面内的拖曳问题，而对锚索的研究国内还不多，相关资料也不多见。
文中在分析研究水下拖曳与锚索系统运动学与动力学的基础上，建立了水下拖索空间形状和张力的三维数学模型以及海流作用下锚索空间形状和张力的三维数学模型，并给出了水下拖索系统和锚索系统在脉冲海流作用下稳定性的分析方法。
把建立的水下拖索数学模型和锚索数学模型分别应用于航空吊放声纳探头—缆绳动力学系统和船—锚系统，采用Matlab语言编程进行了数值计算，同时分别计算和分析了反潜直升机拖速、距海面高度对拖索形状和张力的影响以及海流速度、锚索直径对锚索形状和张力的影响。通过验证数值计算结果和实验结果相当一致。表明所建数学模型的正确性和具有的工程应用价值。
The underwater dragging system and the anchor cable system are widely used in all kinds of field, such as observing geography at the bottom of sea, the basic hydrology data collections, hunting submarines, sweeping the torpedo and torpedo etc.. Now the research on the underwater cable is limited in 2D model. And the research on the anchor cable is very seldom in china. The related information on that is very seldom.
On the foundation analyzing and studying the kinetics and dynamics of underwater dragging system and anchor cable system, this paper sets up the three dimension mathematic model about spatial shape and tension of the underwater cable and about spatial shape and tension of the anchor cable in the ocean current. This paper presents the analysis method about the stability when the underwater dragging system or the anchor cable system is in the pulse current.
The based mathematics model about the underwater cable is used for the dome-cable dynamic system of dipping sonar. Another based mathematics model about the anchor cable is used for ship-anchor system. The numerical calculation have been worked by programmed in the Matlab language. At the same time the influence that the dragging speed of antisubmarine helicopter and the height over the surface of ocean acts on the shape and the tension of underwater cable, and that the current velocity and the diameter of anchor cable acts on the shape and the tension of anchor cable, has been calculated. Because the result of numerical calculation is same with experiment according to compare, the based mathematics model is correct and is provided with the engineering value.
文中在分析研究水下拖曳与锚索系统运动学与动力学的基础上，建立了水下拖索空间形状和张力的三维数学模型以及海流作用下锚索空间形状和张力的三维数学模型，并给出了水下拖索系统和锚索系统在脉冲海流作用下稳定性的分析方法。
把建立的水下拖索数学模型和锚索数学模型分别应用于航空吊放声纳探头—缆绳动力学系统和船—锚系统，采用Matlab语言编程进行了数值计算，同时分别计算和分析了反潜直升机拖速、距海面高度对拖索形状和张力的影响以及海流速度、锚索直径对锚索形状和张力的影响。通过验证数值计算结果和实验结果相当一致。表明所建数学模型的正确性和具有的工程应用价值。
The underwater dragging system and the anchor cable system are widely used in all kinds of field, such as observing geography at the bottom of sea, the basic hydrology data collections, hunting submarines, sweeping the torpedo and torpedo etc.. Now the research on the underwater cable is limited in 2D model. And the research on the anchor cable is very seldom in china. The related information on that is very seldom.
On the foundation analyzing and studying the kinetics and dynamics of underwater dragging system and anchor cable system, this paper sets up the three dimension mathematic model about spatial shape and tension of the underwater cable and about spatial shape and tension of the anchor cable in the ocean current. This paper presents the analysis method about the stability when the underwater dragging system or the anchor cable system is in the pulse current.
The based mathematics model about the underwater cable is used for the dome-cable dynamic system of dipping sonar. Another based mathematics model about the anchor cable is used for ship-anchor system. The numerical calculation have been worked by programmed in the Matlab language. At the same time the influence that the dragging speed of antisubmarine helicopter and the height over the surface of ocean acts on the shape and the tension of underwater cable, and that the current velocity and the diameter of anchor cable acts on the shape and the tension of anchor cable, has been calculated. Because the result of numerical calculation is same with experiment according to compare, the based mathematics model is correct and is provided with the engineering value.
引文
[1] 陈加菁，张年方，袁毅之．均流中悬索的性状及计算．中国造船．1980，49-62
[2] 郑冲，温正雄．水下拖曳系统中缆索的动力学方程．水雷战与舰船防护．2000，2：39-42
[3] 王一飞．TW-1 拖靶缆绳张力与形状参数的计算．南京航空航天大学学报．1992，24(1)：88-95
[4] 邓克绪．一种求解拖索释放完瞬时动态张力的方法．南京航空航天大学学报．1992，24(5)：556-565
[5] 周同礼．飞机-拖索-拖靶动力学系统运动状态研究．南京航空航天大学学报．1992，24(5)：546-555
[6] 张宇文主编．《鱼雷弹道与弹道设计》。西安：西北工业大学出版社．1998
[7] 黄景泉，张宇文编著．《鱼雷流体力学》．西安：西北工业大学出版社．1989
[8] 张志踊编著．《精通Matlab 5.3》．北京：北京航空航天大学出版社．1999
[9] 谢树艺编．《矢量分析与场论》．高等教育出版社．1985
[10] L.Pode.. Tables for Computing the Equilibrium Configuration of a Flexible Cable in a Uniform Stream. AD-607448, March, 1951
[11] Carroll D. Design and analysis of target towline. AD-786695, Springfield Va.National Technical Information Service, 1974
[12] 白美驹编著．《接触扫雷具设计原理》．海军工程学院，1981
[13] 叶道祥．水下拖曳系统的建模及稳定性分析．水雷战与舰船防护，2000，2：42-47
[14] 詹致祥，陈景熙主编．《鱼雷航行力学》．西安：西北工业大学出版社，1990
[15] 郑冲，刘忠乐，白美驹．沿底接触扫雷具扫索沿底地形跟随性的研究方案．水雷战与舰船防护，2000，1：18-21
[16] 刘乐华，张宇文，袁绪龙等．锚索三维形状和张力模型及锚索系统稳定性分析．舰船设备科学技术，2001，2：1-4
[17] 傅金祝．水雷技术发展研究．水雷战与舰船防护，2000，2：1-4
[18] 程卫国，冯峰等编著．《MATLAB 5.3应用指南》．人民邮电出版社，2000
[19] 许维德编．《流体力学》．国防工业出版社，1989
[20] C 芬尼可夫著．《微分几何》．高等教育出版社，1950
[21] P.T. Pedersen. Equilibrum of Offshore Cables and Pipeline During Laying. I.S.P, 22, 256, 1975
[22] M.C. Eames. Steady-State Theory of Towing Cables. RINA Trams. 110, April, 1968
[23] Narkis Y. Approximate solutions for the shape of flexible towing
cables. J of Aircraft, 1977, 14:923-925
[24] 周同礼，徐正荣．某型无人机飞行轨道设计与计算，南京航空学院学报，1980，4：54-62
[25] 杨保生主编《鱼雷总体设计手册》船舶总公司七院第七○五研究所，船舶总公司综合技术经济研究院，内部资料
[26] Steven Holzner著，王岚波等译．《Visual C++6轻松进阶》．北京：电子工业出版社，1999
[27] Rob McGregor著，韩毅刚，周宇，严春莹等译日．《C++使用指南》．北京：电子工业出版社，1999
[28] 谭浩强编著．《C程序设计》．北京：清华大学出版社，1991
[29] 雷宇等．《Borland C++5.0 Owl 5.0编程技术实例》．西安：西安电子科技大学出版社，1997
[30] Residorph，K and Herderson，H．著，希望图书创作室译．《Borland C++ Builder实用培训教程》．宇航出版社，1998
[31] 吴大任编．《微分几何讲义》．人民教育出版社，1982
[32] 佐佐木重大著，苏步青译．《微分几何学》．上海：上海科学技术出版社，1972
[33] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编．《理论力学》．人民教育出版社，1982
[34] 张宇文主编．《鱼雷总体设计原理与方法》．西安：西北工业大学出版社，1998
[35] 徐德民．鱼雷运动的数学模型．水中兵器，1984，1：56-69
[36] 傅慧萍，王育才，张宇文．自动定深展开器展开过程运动分析．舰船科学技术，2000，2：32-37
[37] Pirrce D. Beecham L.J. Some aerodynamic considerations of the flight characteristics of towing systems using long towlines at high speeds. ARCC. P. NO. 1235, London. Her Majesty's Stationery Office, 1972
[38] 张宇文主编．《鱼雷外形设计》．西安：西北工业大学出版社，1998
[39] 聂铁军等编著．《数值计算方法》．西安：西北工业大学出版社，1990
[40] 张宇文，傅慧萍．水下自动定深展开器运动数学模型．西安：西北工业大学科技报告，1998
[41] 黄保和，王卓，李青，郭敏学编著．《数据结构(C语言版)》．中国水利水电出版社，2000
[42] 傅慧萍，张宇文．自动定深展开器流体动力计算书．西安：西北工业大学科技报告，1998
[43] B．叶果洛夫著，俞骧，戈华等译．《水下拖曳系统》．海洋出版社，1988
[44] 阙志宏主编．《线性系统理论》．西安：西北工业大学出版社，1995
[2] 郑冲，温正雄．水下拖曳系统中缆索的动力学方程．水雷战与舰船防护．2000，2：39-42
[3] 王一飞．TW-1 拖靶缆绳张力与形状参数的计算．南京航空航天大学学报．1992，24(1)：88-95
[4] 邓克绪．一种求解拖索释放完瞬时动态张力的方法．南京航空航天大学学报．1992，24(5)：556-565
[5] 周同礼．飞机-拖索-拖靶动力学系统运动状态研究．南京航空航天大学学报．1992，24(5)：546-555
[6] 张宇文主编．《鱼雷弹道与弹道设计》。西安：西北工业大学出版社．1998
[7] 黄景泉，张宇文编著．《鱼雷流体力学》．西安：西北工业大学出版社．1989
[8] 张志踊编著．《精通Matlab 5.3》．北京：北京航空航天大学出版社．1999
[9] 谢树艺编．《矢量分析与场论》．高等教育出版社．1985
[10] L.Pode.. Tables for Computing the Equilibrium Configuration of a Flexible Cable in a Uniform Stream. AD-607448, March, 1951
[11] Carroll D. Design and analysis of target towline. AD-786695, Springfield Va.National Technical Information Service, 1974
[12] 白美驹编著．《接触扫雷具设计原理》．海军工程学院，1981
[13] 叶道祥．水下拖曳系统的建模及稳定性分析．水雷战与舰船防护，2000，2：42-47
[14] 詹致祥，陈景熙主编．《鱼雷航行力学》．西安：西北工业大学出版社，1990
[15] 郑冲，刘忠乐，白美驹．沿底接触扫雷具扫索沿底地形跟随性的研究方案．水雷战与舰船防护，2000，1：18-21
[16] 刘乐华，张宇文，袁绪龙等．锚索三维形状和张力模型及锚索系统稳定性分析．舰船设备科学技术，2001，2：1-4
[17] 傅金祝．水雷技术发展研究．水雷战与舰船防护，2000，2：1-4
[18] 程卫国，冯峰等编著．《MATLAB 5.3应用指南》．人民邮电出版社，2000
[19] 许维德编．《流体力学》．国防工业出版社，1989
[20] C 芬尼可夫著．《微分几何》．高等教育出版社，1950
[21] P.T. Pedersen. Equilibrum of Offshore Cables and Pipeline During Laying. I.S.P, 22, 256, 1975
[22] M.C. Eames. Steady-State Theory of Towing Cables. RINA Trams. 110, April, 1968
[23] Narkis Y. Approximate solutions for the shape of flexible towing
cables. J of Aircraft, 1977, 14:923-925
[24] 周同礼，徐正荣．某型无人机飞行轨道设计与计算，南京航空学院学报，1980，4：54-62
[25] 杨保生主编《鱼雷总体设计手册》船舶总公司七院第七○五研究所，船舶总公司综合技术经济研究院，内部资料
[26] Steven Holzner著，王岚波等译．《Visual C++6轻松进阶》．北京：电子工业出版社，1999
[27] Rob McGregor著，韩毅刚，周宇，严春莹等译日．《C++使用指南》．北京：电子工业出版社，1999
[28] 谭浩强编著．《C程序设计》．北京：清华大学出版社，1991
[29] 雷宇等．《Borland C++5.0 Owl 5.0编程技术实例》．西安：西安电子科技大学出版社，1997
[30] Residorph，K and Herderson，H．著，希望图书创作室译．《Borland C++ Builder实用培训教程》．宇航出版社，1998
[31] 吴大任编．《微分几何讲义》．人民教育出版社，1982
[32] 佐佐木重大著，苏步青译．《微分几何学》．上海：上海科学技术出版社，1972
[33] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编．《理论力学》．人民教育出版社，1982
[34] 张宇文主编．《鱼雷总体设计原理与方法》．西安：西北工业大学出版社，1998
[35] 徐德民．鱼雷运动的数学模型．水中兵器，1984，1：56-69
[36] 傅慧萍，王育才，张宇文．自动定深展开器展开过程运动分析．舰船科学技术，2000，2：32-37
[37] Pirrce D. Beecham L.J. Some aerodynamic considerations of the flight characteristics of towing systems using long towlines at high speeds. ARCC. P. NO. 1235, London. Her Majesty's Stationery Office, 1972
[38] 张宇文主编．《鱼雷外形设计》．西安：西北工业大学出版社，1998
[39] 聂铁军等编著．《数值计算方法》．西安：西北工业大学出版社，1990
[40] 张宇文，傅慧萍．水下自动定深展开器运动数学模型．西安：西北工业大学科技报告，1998
[41] 黄保和，王卓，李青，郭敏学编著．《数据结构(C语言版)》．中国水利水电出版社，2000
[42] 傅慧萍，张宇文．自动定深展开器流体动力计算书．西安：西北工业大学科技报告，1998
[43] B．叶果洛夫著，俞骧，戈华等译．《水下拖曳系统》．海洋出版社，1988
[44] 阙志宏主编．《线性系统理论》．西安：西北工业大学出版社，1995