(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211207280.4 (22)申请日 2022.09.30 (71)申请人 中国海洋大学 地址 266000 山东省青岛市黄岛区三沙路 1299号 (72)发明人 刘继鑫　于菲　何波　 (74)专利代理 机构 青岛汇智海纳 知识产权代理 有限公司 373 35 专利代理师 雷斐 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法 (57)摘要 本发明涉及海洋工程船载拖曳领域， 特别是 一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法。 其 包括以下步骤： 拖缆离散、 耦 合三维建模、 数值模 拟、 拖曳式水下航行器的动力学模型建立及求 解、 集中质量点的平衡方程建立及求解、 深度预 测。 基于集中质量法和计算流体动力学对拖曳式 传感器阵列系统的水动力特性和深度预测进行 研究， 通过建立和求解稳态的动力学模型， 推导 出传感器集成模块和拖缆在水下的深度和姿态， 为拖曳式传感器阵列系统的设计与应用奠定了 基础。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 115510562 A 2022.12.23 CN 115510562 A 1.一种拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤， S1.将柔性拖缆离散为数段刚性连杆， 圆柱形的拖缆具有均匀分布的密度和质量， 设相 邻两刚性连 杆之间的连接点 为节点， 各刚性连 杆的中部为 集中质量 点； S2.对传感器集成模块与数段拖缆进行耦合三维建模， 传感器集成模块设置在各刚性 连杆的集中质量 点处， 把传感器集成模块作为 集中质量 点； S3.根据步骤S2中建立的三维模型， 完成网格划分并进行数值模拟， 拖缆与水平方向之 间的夹角在0到90 °范围内、 且拖缆采用不同的速度前进时， 计算作用在各集中质量点上的 法向力和 切向力， 推导出对应的阻力和升力， 建立水动力特性数值模拟的数据集； S4.将拖曳式水下航行器作为末端集中质量点和节点， 建立拖曳式水下航行器的动力 学模型， 并根据步骤S3中的数值模拟结果进行求解， 数值模拟时拖曳式水下航行器始终处 于零攻角姿态； S5.采用递推法自下而上依次建立每个刚性连杆的集中质量点的平衡方程， 采用假设 和逐步逼近的方法计算每段刚性连 杆与水平面的夹角； S6.推导出每个节点的坐标并拟合拖缆的位姿， 预测拖曳式传感器 阵列系统的深度分 布。 2.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S1 中， 根据模块的安装距离确定 离散长度， 离散后的刚性连 杆的长度相同或部分相同。 3.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S2 中， 基于So lidWorks进行三维建模； 所述传感器集成模块为流线型， 传感器集成模块的外壳采用上下分体式， 传感器包裹 在外壳的内部， 壳体上设计水道， 模块 通过不锈钢座 安装到拖 缆上； 所述拖曳式水 下航行器的尾部设有导 流翼。 4.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S3 中， 数值模拟的边界条件设置为速度入口、 压力出口， 拖缆、 传感器集成模块和拖曳式水下 航行器均为无滑移的静止壁面， 流体介质为海水， 海水的密度为1025kg/m3， 且海水密度均 匀。 5.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S3 中， 基于计算流体动力学模拟计算拖缆与水平方向之间的夹角在0到90 °范围内的法向力、 切向力、 阻力和升力， 设置夹角的变化梯度， 将上述各夹角对应的数值模拟结果作为数据 集。 6.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S4 中， 对拖曳式水下航行器的受力进行分析， 在笛卡尔坐标系 下建立拖曳式水下航行器的力 学平衡方程： 式中， B是拖曳式水下航行器产生的浮力； G是拖曳式水下航行器的重力； R是拖曳式水 下航行器的阻力； L是拖曳式水下航行器的升力； Ti+1是局部拖缆的拖曳力； θi+1是拉力与水 平方向的夹角， 即第i+1个刚性连杆与水平方向的夹角， 第i+1个刚性连杆与拖曳式水下航权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115510562 A 2行器连接， 基于公式(1)求 解Ti+1和 θi+1， 用于第i个集中质量 点的平衡方程建立与求 解。 7.根据权利要求1所述的拖曳式传感器阵列系统的深度预测方法， 其特征在于， 步骤S5 中， 具体包括以下步骤： S5.1对于集中质量 点进行受力分析， 建立如下平衡方程： 将第i个刚性连 杆所受的阻力Ri和升力Li用法向力Fn和切向力Ft表示： 将公式(2)和公式(3)合并： 式中， Ti是第i个集中质量 点受到的向上拉力, θi是向上拉力与水平方向的夹角； S5.2求解第i个刚性连 杆与水平方向的夹角 θi定和所受的拖曳力Ti定： S5.2.1根据角度 θi+1从步骤S3得到的数据集选择初始角度 θi’， 约束条件如下 所示： 0<θi'<θi+1<90(i＝1，……， 54) S5.2.2基于选择 的初始角度θi’， 在数据集中找到与该初始角度对应的法向力Fn、 切向 力Ft、 阻力Ri和升力Li， 带入公式(3)中进行计算， 得到Ti和 θi值， 若得到的θi满足以下容错条 件 | θ′i‑θi|<1 则此时θi定＝θ′i， Ti定＝Ti； S5.2.3若得到的θi不能满足上述容错条件， 根据约束条件重新选择初始角度θi’， 并根 据该初始角度在数据集中对应的法向力Fn、 切向力Ft、 阻力Ri和升力Li， 再次得到Ti和 θi值， 直至得到的θi满足上述 容错条件。 S5.3按照从下至上的顺序， 重复步骤S5.2,依次计算出第i ‑1段、 第i ‑2段、 第i ‑3 段、……、 直至第1段拖 缆与水平方向的夹角及所受的拖曳力； S5.4根据 上述求解的各刚性连杆与水平方向的夹角角度和离散拖缆的每段长度， 获得 各传感器集成模块的位置和深度， 第i个集中质量 点的深度通过公式(5)计算： 浸没水中拖 缆的长度与深度的比值采用公式(6)计算：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115510562 A 3