1.1背景

当水下航行器在水下深处作业时，它们的深度会使

波浪对表面的影响可以忽略不计。因此，它们不会承受波浪引起的荷载。然而，当水下航行器执行诸如

柴油发动机，使用潜望镜，通过浅海航道，它们必须运行

并且因此经历波浪引起的载荷。波浪引起的荷载

可能会限制水下航行器在接近时的作战能力和有效性

表面。这是因为波浪引起的载荷会导致不希望的横摇、偏航和俯仰

当接近表面时，难以保持一致的深度。

波浪引起的荷载具有线性和非线性分量

不规则海道中的波浪分量。每个波分量单独产生

线性力。这些线性载荷发生在每个波的相遇频率处。这意味着

尽管这些载荷比非线性载荷大，但它们发生的时间要短得多

时间尺度。该时间尺度通常太短，大型水下航行器无法响应，

因此，对于小型水下航行器来说，它们更值得关注。非线性荷载来自

波之间的相互作用，包括波与自身的相互作用

相互作用波的频率。因此，我们可以得到平均值（0 Hz频率）

非线性负载和来自

波浪与自身相互作用。我们也会在每个差异处得到一个非线性负载

海道中所有底层波浪频率的总和。这些负载是

比线性模型小得多，但发生在更长的时间尺度上；波浪与

几乎相同的频率将产生一个非线性力

时期因此，在适当的条件下，这些负载对于较大的

水下机器人，因为它们的控制系统的响应时间很慢。这些载荷

对于小型车辆来说通常可以忽略不计，并且它们的控制系统通常可以快速响应

足以应付他们。

1.

1.2动机

了解水下航行器上的线性和非线性波浪荷载，以及

它们对车辆性能的影响，将使未来的车辆设计能够解决这些负载

在设计过程早期，提高水下航行器的运行可靠性

以及有效性。这将使水下航行器完全能够进行

在水面附近进行诸如吸气和潜行等操作。使用潜望镜时

水下航行器在一定深度的水面附近吸气时，由于复杂的海况，可能会受到波浪引起的力和力矩，从而产生吸力效应

将水下航行器拖到水面。这会增加车辆的可能性

拉削表面并被检测[1]。

历史上，对非线性波浪荷载的关注较少。目前，

更好地理解线性负载，并且影响负载的参数是已知的。

载荷建模足够精确，包括分析解的存在

用于大多数工程用途的旋转体形状。然而，非线性负载是

不太了解。预测它们需要从

无粘性流动。这些解决方案需要大量的计算工作。

1.3以前的工作

过去进行了实验和数值研究

全淹没结构上的非线性波浪力和力矩。本节

首先总结了实验研究，然后是数值研究。

Crossland[1]进行了一系列实验测试，以了解波浪引起的荷载

对具有各种速度、方向和海洋的半捕获式水下航行器的影响

州。因此，Crossland[1]证明

垂直波浪引起的载荷可能再次影响未来水下航行器的设计。

Khalil[2]的实验研究集中在长

平行于波浪浸没在拖曳槽中的水平圆柱结构。实验

通过使用产生长度为1.57和

3.14 m在圆形和矩形圆柱体上行驶，以预测冲击

这些不同几何形状对波浪荷载的影响[2]。在此期间

2.

试验，施加在水下的水平和垂直波浪诱导力

使用多分量称重传感器测量不同深度的圆柱体，然后

评估并与先前研究中的现有数据进行比较。哈利勒的主要发现是

非线性波浪力的发展主要是由波浪在后面的破裂引起的

水面附近的浸没圆柱。破浪是否定的原因非线性波浪力的发展主要是由波浪在后面的破裂引起的

水面附近的浸没圆柱。波浪破碎是负漂移的原因

作用在浸没圆柱体上的力，因为当

浸没深度增加[2]。

Whitmer的[3]研究是预测波浪力和力矩的实验研究

在水面附近的水下物体上。在他的研究中，线性叠加的适用性是

研究以估计水下结构物上的波浪诱导力和力矩[3]。

作者研究了预测单个线性阻力和垂直力的能力

在复杂的双组分海道中。通过解决Cummins的

方程1.1、1.2和1.3，并将它们与实验测量结果进行比较

这项研究大体上检验了它们的准确性。

𝐹𝑥 = −

𝜋

2.

𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ



1.

𝜆

∗



𝑒

−2𝜋𝐻′

𝑏0个(𝜔𝑒𝑡) (1.1)

𝐹𝑧 = −𝜋𝜌𝑔𝐴𝑜 ℎ



1.

𝜆

∗



𝑒

−2𝜋𝐻′

𝑏0罪(𝜔𝑒𝑡) (1.2)

𝑀𝑦 = −

𝜋

2.

𝜌𝑔𝐴𝑜𝐿ℎ

1.

𝜆

∗



𝑒

−2𝜋𝐻′

𝑎1个(𝜔𝑒𝑡) (1.3)

Cummins[4]、Whitmer[3]、[5]和Hermsen[6]的研究中对Cummins方程关于线性波浪力和力矩的扩展讨论。Whitmer[3]得出结论，对于所研究的波高和频率，线性叠加

是预测浅水区波浪力和力矩的可行分析

结构。

Klamo等人[7]和Turner等人[8]进行了实验研究，通过关注涌浪力、垂荡力和纵摇，研究了完全浸没的物体上的波浪荷载

在牵引箱中的瞬间。他们的研究集中在对线性一阶模型的建模上

3.

在评估分析解的准确性时，波浪对身体产生的力。

研究确定了分析解决方案中的理论假设，然后进行了研究

准确性评估期间这些假设的重要性。他们使用了方程式

卡明斯（Cummins）[4]推导出的“一个任意的、细长的、淹没在水下的旋转体”

研究一阶线性涌浪力、垂荡力和

俯仰力矩。这两项研究都只研究了零速度情况和向下传播的波浪

身体的纵轴。他们的研究得出结论，当波长

大于体长，解析解可以精确预测波浪引起的

垂荡力和涌浪力。他们发现，解析俯仰力矩解

精度等级。

Klamo等人的后续研究[9]通过实验评估了

横截面几何形状对

水面附近的水下航行器。他们的实验研究侧重于测量

三种不同几何截面上的波浪荷载和力矩

具有半球形端盖的主体。这些主体，一个方形横截面圆柱体、一个水平矩形和一个垂直矩形，其纵横比分别为1、4和1/4。

他们在一个具有造波能力的拖曳舱中进行了实验测试。他们的

调查得出的结论是，关于

矩形对线性垂荡力的纵横比与实验结果不一致

调查结果。他们还发现，载荷与矩形的形状成正比

比率[9]。

Cho等人[10]进行了约束模型实验，以分析X平面潜艇的

机动性和灵活性。为了确定潜艇的机动系数

进行了各种机制的圈养模型实验，包括水平和

然后使用从

执行机动模拟的实验测量。Cho等人[10]证明，CFD模拟可用于产生可靠的X面潜艇运动

系数。这些系数可用于机动仿真和算法

以增强未来的水下航行器设计。

其中一项数值研究是由Hayatdavoodi和Ertekin进行的

使用“非线性和非稳态Green Naghdi方程（I级）”进行参数分析

4.

施加在水平面底部和顶部的非线性波浪荷载的近似值

以及浸没在浅水中的固定平板[11]。作者首先讨论了

适用于水下结构物上非线性波浪诱导力的理论，以及

然后解释了G-N理论在非线性波浪力中的应用

浅水中的水下结构。级别中使用的组件的定义

I方程1.4和1.5，可在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤独的”

以下G-N方程（I级）的示例

在Ertekin[12]中。还有三维G-N方程可以在Hayatdavoodi和Ertekin[11]中找到。“孤独的”

以下G-N方程（I级）的示例

在Ertekin[12]中。Ertekin等人还讨论了三维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，该领域被划分为四个区域，以检查G-N的应用

每个方程[11]。Hayatdavoodi和Ertekin开发了图1.1，以解决

整个域。

图1.1。非线性波在水平浸没板上通过四个区域的示意图。资料来源：[11]。

Hayatdavoodi和Ertekin的数值研究证明了非线性波浪诱导力

可以通过求解G-N来计算浸没平板的底部和顶部

方程。这项研究的意义可以补充各种实验

5.

研究浅水结构上的非线性力。

1.4目标和意义

本论文的主要目的是生成一个轮廓形式的数学模型

全淹没波浪荷载非线性分量预测图

身体测量了三种不同的载荷，垂荡力、涌浪力和俯仰力矩

并作为两个基础波的波高和波长的函数进行了研究

构成波浪环境。本论文还旨在实现三个子目标：

（1） 开发具有波1和波2波长的精细分辨率的图；(2)

通过进行更多重复，更好地理解地图中的不确定性

试验条件；（3） 能够检查波浪高度对地图的影响。本论文

基于Hermsen[6]的研究并扩展了参数空间。

本研究的意义在于支持基于模型的系统工程工具

用于设计未来的水下运载器，以确保运载器的性能和任务

有效性满足要求。

本文开发的等高线图数学模型可用于捕捉

非线性分量随所经历的特定波浪环境而变化

通过完全浸没的车辆。它也可以用于基于模型的系统工程

（MBSE）方法用于民用和国防社区的未来设计。总体而言

该研究将有利于海军使用水下运载工具

国防部（DOD）和其他民用工程团体。结果将提供

更好地理解影响水下的非线性力和力矩

车辆性能和任务效率。

6.

第2章：

仪表和传感器

本章介绍了用于动态验证和

实验测试运行。有两种不同类型的传感器用于在

测试和许多仪器为传感器供电并从中收集信号。

本章将首先介绍传感器，然后介绍支持仪器。最后

有显示整个组件组件的图形表示。

2.1称重传感器

本研究使用了先进机械技术股份有限公司（AMTI）UDW3防水材料

应变计测压元件，用于测量身体上的三个感兴趣的力和力矩。

称重传感器充油，其结构由热处理不锈钢制成。它

内置压力囊，平衡称重传感器的内部和外部压力。

因此，即使它被淹没到一定深度，精确的力和力矩读数也是

可能的称重传感器可以使用四个1/4“-20螺纹连接到其他硬件上

设备两端的孔。图2.1描述了UDW3称重传感器的图片。图2.2

显示了UDW3称重传感器尺寸的草图。有关称重传感器的更多信息

可以在AMTI的网站上找到各种负载能力[14]。

图2.1：。UDW3称重传感器。

7.

图2.2。UDW3称重传感器尺寸。资料来源：[14]。

2.2 Senix声学探头

实验装置使用超声波探头进行两种不同的距离测量。

超声波探头的工作原理是发出声波脉冲，然后测量到达

反射脉冲的返回。这段时间被转化为一段距离，假设

介质是空气。具体而言，我们使用了SENIX ToughSonic 14探头（型号：TSPC30S1-485），其工作范围为4英寸至168英寸。图2.3描述了

ToughSonic 14探头。探头的第一次应用是测量波浪高度

通过将四个探头从牵引箱上方指向水面。通过删除

测试前测得的静水距离，测试运行期间测得的距离

转换为波浪高程。探针的第二次应用是验证

造波楔du的运动