新型水下航行器设计理论与方法

本书系统阐述了新型水下航行器在多学科关键技术问题上的设计理论与方法。全书共6章，理论方面密切追踪自主式水下航行器的国际发展前沿，介绍了复杂海况下水下航行器的机械创新设计、运动学与动力学、航行控制以及绕流场特性等若干关键技术问题的分析方法，应用方面以一种具有水下矢量推进航行、海底着陆坐底、地面轮式行驶和地面爬行功能的多运动态新型水下航行器为设计和分析对象，设计了矢量推进器、轮式螺旋桨、升沉系统、滑模控制器等，构建了运动学和动力学模型、轨迹跟踪策略及复杂海况下的求解算法等，在解决问题的同时验证了设计理论与方法的有效性。本书内容丰富翔实，深入浅出，具有较强的前沿性和实用性。

前言
第1章 绪论
1.1 新型水下航行器设计理论与方法的研究意义
1.2 自主式水下航行器的发展现状概述
1.2.1 美国自主式水下航行器的研究现状
1.2.2 其他国家自主式水下航行器的研究现状
1.2.3 我国自主式水下航行器的研究现状
1.3 自主式水下航行器关键技术的研究现状及发展趋势
1.3.1 推力矢量技术的研究概述
1.3.2 螺旋桨设计技术研究概述
1.3.3 航行运动学与动力学研究概述
1.3.4 航行控制技术研究概述
1.3.5 航行器绕流场特性研究概述
1.4 本书主要研究内容
第2章 多运动态新型水下航行器的总体设计
2.1 新型水下航行器设计目标与功能要求
2.2 新型水下航行器重心与浮心设计
2.2.1 活塞式升沉系统设计与工作原理
2.2.2 活塞式升沉系统动力学分析
2.3 矢量推进装置设计
2.3.1 基于球齿轮的矢量推进器设计
2.3.2 基于球齿轮的矢量推进器运动学分析
2.3.3 基于锥齿轮的矢量推进器设计
2.3.4 基于锥齿轮的矢量推进器运动学分析
2.3.5 矢量推进器的试验研究
2.4 系统结构布局与单元模块划分
2.4.1 测量与通信模块设计
2.4.2 操纵模块设计
2.4.3 控制系统布局与设计
2.5 本章小结
第3章 新型轮式螺旋桨参数化设计与力学性能
3.1 复杂曲面螺旋桨实体模型参数化设计
3.1.1 螺旋桨曲面型值的计算
3.1.2 基于Solidworks的螺旋桨实体造型流程
3.2 螺旋桨敞水性能数值分析方法与验证
3.2.1 螺旋桨黏性流场数学建模
3.2.2 螺旋桨敞水性能数值计算方法
3.2.3 螺旋桨敞水性能计算结果验证与流场特性分析
3.3 新型轮式螺旋桨结构设计与敞水性能计算
3.3.1 新型轮式螺旋桨设计方案研究
3.3.2 新型轮式螺旋桨敞水性能计算与分析
3.4 基于有限元法的新型轮式螺旋桨强度特性分析
3.4.1 新型轮式螺旋桨非线性屈曲分析
3.4.2 新型轮式螺旋桨模态分析
3.5 本章小结
第4章 复杂海况下新型水下航行器非线性动力学特性
4.1 新型水下航行器六自由度非线性运动学模型研究
4.1.1 坐标系定义与运动变量
4.1.2 欧拉角法运动学建模
4.1.3 四元数法运动学建模
4.2 复杂海况下新型水下航行器非线性动力学模型研究
4.2.1 新型水下航行器的受力分析
4.2.2 基于牛顿第二定律的矢量方程推导
4.2.3 基于拉格朗日方法的矢量方程推导
4.3 海流和波浪扰动作用的数学模型研究
4.3.1 随机波浪与海流理论
4.3.2 新型水下航行器低频运动数学模型
4.3.3 新型水下航行器高频运动数学模型
4.4 复杂海况下新型水下航行器的位姿计算与分析
4.4.1 无环境干扰下航行器空间运动性能分析
4.4.2 环境干扰下航行器近水面空间运动特性分析
4.5 本章小结
第5章 复杂海况下新型水下航行器轨迹跟踪控制技术
5.1 滑模变结构控制理论及其应用
5.1.1 滑模变结构控制的基本原理
5.1.2 滑模变结构控制的特性分析
5.1.3 滑模变结构控制在水下航行器中的应用
5.2 新型水下航行器非线性系统滑模控制器设计及性能分析
5.2.1 新型水下航行器非线性系统滑模控制器算法研究
5.2.2 动态边界层调整算法研究
5.2.3 滑模控制器设计方法验证与性能分析
5.3 新型水下航行器非线性轨迹跟踪控制算法研究
5.3.1 水平面轨迹跟踪控制算法研究
5.3.2 纵平面轨迹跟踪控制算法研究
5.4 新型水下航行器非线性轨迹跟踪控制计算与分析
5.4.1 水平面轨迹跟踪控制计算与分析
5.4.2 纵平面轨迹跟踪控制计算与分析
5.5 本章小结
第6章 复杂海况下新型水下航行器黏性流场数值计算方法
6.1 无环境干扰下带桨航行器非定常黏性流场数值计算与分析
6.1.1 带桨航行器非定常黏性流场数学模型与数值计算方法
6.1.2 航行器艇体水动力性能数值计算与分析
6.1.3 螺旋桨/艇体整体水动力性能数值计算与分析
6.2 新型水下航行器高速迎浪运动特性理论计算
6.2.1 微幅波数学模型及其特征
6.2.2 基于切片理论的航行器垂荡与纵摇理论计算
6.2.3 考虑动升力影响的航行器高速迎浪运动数学模型
6.3 新型水下航行器高速迎浪运动时绕流场数值计算
6.3.1 计及自由面兴波的航行器绕流场数学模型
6.3.2 计算域网格划分与数值计算方法
6.3.3 计算域数值造波方法
6.3.4 航行器绕流场数值计算与分析
6.4 本章小结
参考文献
附录A
附录B