卞澤武，鐘佩思，張金峰，鄭 義，楊 梅

(山東科技大學 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

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撲翼滑翔水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與CFD分析

卞澤武，鐘佩思，張金峰，鄭 義，楊 梅

(山東科技大學 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

文章針對海底管線必須定期進行檢測這種情況，提出利用撲翼滑翔水下機器人對海底管線進行檢測的方案，并對撲翼滑翔水下機器人的總體結(jié)構(gòu)、動力裝置和浮力調(diào)節(jié)裝置等進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用FLUENT軟件，對水下機器人在滑翔狀態(tài)時，仿生撲翼的幾種不同俯仰角度和外形尺寸進行了數(shù)值分析；結(jié)果表明，當仿生撲翼的俯仰角為5°和增大仿生撲翼的展弦比和根梢比時，水下機器人具有較優(yōu)的大升阻比流體動力性能。

撲翼滑翔；水下機器人；仿生撲翼；CFD；升阻比

0 引言

海底管道是海洋油(氣)田開發(fā)的重要組成部分。海底管道由于復雜的海底環(huán)境、波浪的侵蝕和沙波移動等因素的影響，極易遭到腐蝕和破壞。為了保證海底管道的安全運營，需要經(jīng)常對海底管線進行檢測。應用水下機器人對海底管線進行檢測具有作業(yè)深度深、時間長、范圍廣等優(yōu)點[1]。傳統(tǒng)的水下機器人大多采用螺旋槳推進方式，而螺旋槳推進器具有能耗高、綜合效率低等特點，限制了水下機器人的作業(yè)范圍。

仿生水下機器人因為具有高速、低噪音、機動靈活等特點，成為了近年來水下機器人研究領(lǐng)域的熱點?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^研究水下生物的運動機理，設(shè)計出了多種仿照水下生物運動的仿生水下機器人。仿生水下機器人的推進方式可以分為擺動推進、劃動推進、撲翼推進和噴射推進等。其中，撲翼推進具有推進效率高、靈活性好、能耗低等優(yōu)點。

近年來，國內(nèi)對于水下滑翔航行器的研究取得了很大的進展，同時在撲翼推進技術(shù)方面，也取得了一定的成果。但是將兩種技術(shù)相互結(jié)合，設(shè)計一種兼顧撲翼推進和滑翔技術(shù)的仿生水下機器人，國內(nèi)外的相關(guān)研究還在起步階段。西北工業(yè)大學的丁浩[2]等設(shè)計了一款撲翼滑翔水下航行器，很好的將撲翼推進技術(shù)與滑翔技術(shù)結(jié)合在一起。航行器可在水下實現(xiàn)前進、倒退、上浮、下潛、轉(zhuǎn)彎等基本動作，具有自主航行能力，能在撲翼推進與滑翔推進2種運動模式間轉(zhuǎn)換。本文結(jié)合撲翼推進技術(shù)和水下滑翔技術(shù)，設(shè)計了一款利用水下視覺系統(tǒng)進行自主導航，可用于海底管道檢測的撲翼滑翔水下機器人。

1 撲翼滑翔水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 撲翼滑翔水下機器人總體結(jié)構(gòu)

本文仿照海龜這種撲翼游動生物，設(shè)計了一種可進行撲翼滑翔的水下機器人。撲翼滑翔水下機器人的前端撲翼在撲翼運動時，為水下機器人提供動力，在滑翔時為水下機器人提供升力。對于單純的撲翼水下機器人來說，撲翼需要安裝在水下機器人的前端，而對于水下滑翔機器人，為了提高滑翔效率，滑翔翼需要安裝在水下機器人的中部附近位置。經(jīng)過分析，將前端撲翼安裝在距離整體最前端的30%位置[3]，可滿足撲翼滑翔水下機器人的性能要求。撲翼水下機器人整體外形長為200mm，寬(不包括撲翼)為100mm，高為70mm。

撲翼滑翔水下機器人整體包括頭部、軀干和尾部，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。頭部中設(shè)置有水下高清相機和超聲波測距傳感器，水下高清相機的作用是對海底管道進行拍照，在水下機器人回收后，工作人員將根據(jù)照片判斷海底管道的安全情況；同時水下機器人中攜帶的嵌入式計算機將對圖片進行視覺圖像處理，引導水下機器人沿著海底管道航行。超聲波測距傳感器用于水下機器人的避障。

在水下機器人的軀干中設(shè)置有左、右撲翼推進裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置、控制器和電源。左、右撲翼推進裝置分別設(shè)置在軀干前端的左右對稱位置，距離水下機器人整體最前端30%的位置處，浮力調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在軀干的底部中間位置。

水下機器人尾部的左右對稱位置設(shè)置有左、右尾翼調(diào)節(jié)裝置。頭部、軀干與尾部之間均采用O型密封圈密封。撲翼滑翔水下機器人內(nèi)部的零部件盡量采用對稱布置，保證其在水下時的姿態(tài)穩(wěn)定。

1.水下攝像頭 2.超聲波測距傳感器3．右撲翼推進裝置 4.浮力調(diào)節(jié)裝置 5.右尾翼調(diào)節(jié)裝置6.控制器 7.電源 8.左尾翼調(diào)節(jié)裝置 9.O型密封圈 10.左撲翼推進裝置圖1 撲翼滑翔水下機器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 撲翼滑翔水下機器人動力裝置

撲翼滑翔水下機器人的每個撲翼推進裝置通過兩個步進電機的同時運動，實現(xiàn)了仿生撲翼的上下拍動和俯仰運動的二自由度復合運動。仿生撲翼推進裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

撲翼推進裝置的步進電機的電機軸和密封盒相連，步進電機的電機軸旋轉(zhuǎn)擺動，可使撲翼推進裝置產(chǎn)生上下拍動。密封盒放置在水艙內(nèi)，水艙使密封盒與水下機器人的內(nèi)部空間相互隔離，防止水進入到水下機器人內(nèi)。密封盒內(nèi)的步進電機的電機軸與聯(lián)軸器的一端連接，聯(lián)軸器的另一端連接仿生撲翼。密封盒內(nèi)的步進電機的電機軸旋轉(zhuǎn)擺動，可使撲翼推進裝置產(chǎn)生俯仰運動。步進電機與密封盒內(nèi)的步進電機同時工作，使仿生撲翼推進裝置產(chǎn)生上下拍動和俯仰復合運動。

當左、右撲翼以相同的頻率運動時，產(chǎn)生的推動力可以推動水下機器人向前航行。當水下機器人具有一定的速度后，撲翼將停止運動，撲翼滑翔水下機器人處于水下滑翔狀態(tài)。當水下機器人需要轉(zhuǎn)向時，可令兩個前端撲翼中的一個運動，另一個撲翼靜止，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

左、右尾翼調(diào)節(jié)裝置主要負責水下機器人在航行時位姿的調(diào)整。當左、右尾翼的俯仰角度不同時，可使水下機器人兩側(cè)的升力和阻力不同，從而調(diào)整水下機器人的位姿。左、右尾翼調(diào)節(jié)裝置還可輔助水下機器人進行轉(zhuǎn)向。

1.水艙 2.聯(lián)軸器 3.撲翼 4.密封盒 5.步進電機圖2 撲翼滑翔水下機器人撲翼推進裝置

1.3 撲翼滑翔水下機器人浮力調(diào)節(jié)裝置

本文設(shè)計的水下機器人浮力調(diào)節(jié)裝置如圖3所示。當雙向隔膜泵向水囊內(nèi)充水時，水下機器人排開水的體積減小，因此，水下機器人受到的浮力減小。當雙向隔膜泵向水下機器人外部排水時，水下機器人排開水的體積增大，水下機器人受到的浮力增大。當雙向隔膜泵工作時，微型電磁閥打開，停止工作時，微型電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.水囊 2.微型電磁閥 3.進出水口 4.雙向隔膜泵圖3 撲翼滑翔水下機器人浮力調(diào)節(jié)裝置

2 仿生撲翼CFD分析

2.1 仿生撲翼

本文根據(jù)海龜前端撲翼外形設(shè)計了一種仿生撲翼，撲翼的翼型截面選用NACA0012翼型，已證明該翼型在撲翼運動時，與其他翼型相比可產(chǎn)生較大的推動力和推進效率[4]。仿生撲翼是撲翼滑翔水下機器人的主要動力單元，撲翼運動產(chǎn)生推動力使水下機器人向前航行，在滑翔狀態(tài)時作為滑翔翼，為水下機器人的水下滑翔運動提供足夠的升力。

因此，撲翼滑翔水下機器人的設(shè)計需要考慮水下滑翔運動時撲翼產(chǎn)生的升力、阻力兩方面的因素，即通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使水下機器人具備大升阻比、低阻力的流體動力性能。仿生撲翼的設(shè)計參數(shù)主要包括展弦比和根梢比，如圖4所示。本文對幾個不同尺寸的仿生撲翼進行分析，通過比較確定較優(yōu)的仿生撲翼尺寸。

圖4 仿生撲翼

2.2 網(wǎng)格劃分

撲翼滑翔水下機器人的外形具有對稱性，為了提高仿真分析的效率，可將三維模型的一半導入分析。分析的流域的長度為三維模型長度的6倍，高度和寬度均為三維模型的4倍[6]。利用ICEM CFD軟件對流域模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型設(shè)定為四面體網(wǎng)格。全局最大網(wǎng)格尺寸設(shè)定為10，同時對重要的部位設(shè)定較小的最大網(wǎng)格尺寸來加密重要部位，這樣可以在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時，提高分析的效率。劃分網(wǎng)格后的流域模型如圖5所示。

圖5 撲翼滑翔水下機器人網(wǎng)格劃分

2.3 設(shè)定求解條件

本文使用FLUENT軟件對撲翼滑翔水下機器人的水動力模型進行流體分析，撲翼滑翔水下機器人在正常航速時，雷諾數(shù)已超過臨界雷諾數(shù)，因此采用湍流模型進行分析[5]。參考面積設(shè)定為水下機器人總體外形的1/2表面積。計算的初始條件設(shè)置如下：

(1)求解器：采用3D顯式非耦合穩(wěn)態(tài)求解器；

(2)湍流方程：RNGk-ε方程，壁面函數(shù)選擇標準壁面函數(shù)；

(3)材料：水，密度998.2kg/m3,動力系數(shù)為0.001003Pa·s；

(4)邊界條件：入口的流速設(shè)置為1m/s,出口為自由流；

(5)流場數(shù)值計算方法：采用SIMPLE方法，減小松弛因子設(shè)定為0.5，采用二階精度的迎風離散格式；

(6)收斂條件：設(shè)定為1e-4。

2.4 仿真結(jié)果分析

本文使用的NACA0012翼型為對稱翼型，當撲翼的俯仰角為零，且外流場的來流方向為正前方的水平方向時，其產(chǎn)生的升力為零。因此，為了使水下機器在滑翔狀態(tài)時能夠產(chǎn)生升力，仿生撲翼需要保持一定的俯仰角度。通過FLUENT軟件，對撲翼滑翔水下機器人的仿生撲翼的俯仰角，在1°～ 10°范圍內(nèi)變化的水動力模型進行分析，得到了水下機器人整體所受到的阻力和升力，并計算出升阻比，結(jié)果如圖6所示。當俯仰角從1°增加到10°時，撲翼滑翔水下機器人所受到的升力和阻力均有所增加。但其升阻比呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當俯仰角為5°時，升阻比最大。因此，撲翼滑翔水下機器人在滑翔狀態(tài)時，將撲翼的俯仰角設(shè)定在5°可獲得較優(yōu)的動力性能。

圖6 不同俯仰角升阻比變化曲線

根據(jù)圖6得出的結(jié)論，將仿生撲翼的俯仰角設(shè)定為5°，改變水下機器人的仿生撲翼的外形尺寸，并對其水動力模型進行分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，當仿生撲翼的展弦比在2～9的范圍內(nèi)變化時，水下機器人受到的阻力、升力和升阻比均呈增長趨勢，但升阻比的增長趨勢在6～9的范圍內(nèi)有所減緩。從圖8中可以看出，當仿生撲翼的根梢比分別為2、2.5、3、3.5、4時，水下機器人受的的阻力、升力和升阻比均有所增加，但增長趨勢緩慢。

圖7 不同展弦比升阻比變化曲線

圖8 不同根梢比升阻比變化曲線

綜上所述，增加仿生撲翼的展弦比和根梢比，可以增加仿生撲翼的升阻比，使得水下機器人在水下滑翔時可以獲得較優(yōu)的水動力特性。但增加展弦比和根梢比會增加仿生撲翼的面積，已知仿生撲翼的面積增大，驅(qū)動電機所需的功率就會增大[7]。本文設(shè)計的撲翼滑翔水下機器人體積有限，選用的驅(qū)動電機為微型步進電機，電機功率較小。為了既能獲得較大的升阻比，又不使所需的驅(qū)動電機功率過大。最終選擇仿生撲翼的展弦比為6，根梢比為2，主要參數(shù)如表1所示。經(jīng)過計算，選用的尺寸符合要求。

表1 仿生撲翼主要參數(shù)

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款可用于海底管線檢測的撲翼滑翔水下機器人，介紹了撲翼滑翔水下機器人的總體結(jié)構(gòu)、動力裝置和浮力調(diào)節(jié)裝置。使用FLUENT軟件，對水下機器人在滑翔狀態(tài)時，仿生撲翼的俯仰角在1°～ 10°范圍內(nèi)變化的水動力模型進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，當仿生撲翼的俯仰角為5°時，水下機器人可獲得較大的升阻比。通過改變水下機器人的仿生撲翼的外形尺寸，并對其水動力模型進行數(shù)值分析。得出了增大仿生撲翼的展弦比和根梢比均可使水下機器人的升阻比增大的結(jié)論。并確定了該款撲翼滑翔水下機器人的仿生撲翼的具體尺寸。

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(編輯 李秀敏)

Structure Design of Flapping-Wing and Gliding Underwater Vehicle and CFD Analysis

BIAN Ze-wu, ZHONG Pei-si, ZHANG Jin-feng, ZHENG Yi, YANG Mei

(Advanced Manufacturing Technology Center, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590,China)

In this paper, using the flapping-wing and gliding underwater vehicle to detect the subsea pipeline is be proposed which for the situation that subsea pipeline must be regularly detect. And the overall structure of the flapping-wing and gliding underwater vehicle, power plant and buoyancy adjusting device is be designed. Using computational fluid dynamics software FLUENT for underwater vehicle in the state of gliding bionic flapping-wing pitching Angle, and a few different shapes of bionic flapping-wing size has carried on the numerical analysis. Results show that when the bionic flapping-wing pitching Angle of 5 °, and increasing the flapping wing aspect ratio and root shoot ratio, Underwater robots hold the Alleged hydrodynamic performance with big lift to drag ratio.

flapping-wing and glide; underwater vehicle; bionic flapping wing; CFD; lift-to-drag ratio

1001-2265(2017)06-0062-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.016

2016-09-07；

2016-10-14

卞澤武(1990—)，男，山東博興人，山東科技大學碩士研究生，研究方向為水下機器人技術(shù)，(E-mail)bianzewu@qq.com；通訊作者：鐘佩思(1966—)，男，山東萊陽人，山東科技大學教授，博士，博士生導師，研究方向為并行工程與虛擬樣機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)與機器人、智能設(shè)計與制造等，(E-mail)pszhong@163.com。

TH165;TG659

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