張 凱，楊賀然，孫鐵繩，范 輝，李 云

(中國船舶集團公司 第七〇五研究所，陜西 西安 710077)

0 引 言

水下遙控航行器（ROV）常見有回轉體和非回轉體2種外形結構形式，一般回轉體航行器多側重航速、航程等指標，非回轉體航行器多運用在低速條件下，側重操控性能?；剞D體航行器在減阻能力上更具優(yōu)勢，但是在可擴展性、低速操控性等方面劣勢明顯。非回轉體ROV通常包括開架式和半封閉式結構外形2種，其中開架式外形拆裝快捷、成本低、周期短，多見于小型、民用領域；半封閉式結構多采用流線型外形包裹內(nèi)部框架支撐的形式，多見于大型潛航器的結構布局[1]。

針對可以應用在內(nèi)河8 kn水流流速下的ROV總體設計問題，不僅要滿足低流體阻力要求，還需滿足可擴展、模塊化和拆裝方便等需求。另外，還需考慮現(xiàn)有組件的尺寸、安裝約束。在ROV研究領域，外形結構較為單一，多為框架式和方箱式，可借鑒的總體結構設計方案較少[2]，而AUV領域研究較多。國內(nèi)未見相關研究；國外，歐盟MARTIN-AUV采用長扁平型外形，包含前中后3段，中段、尾端各布置2個推進器，中前部設置水平穩(wěn)定翼，整體呈流線型，外形曲面構造方法未見描述[3]；美國NPS-AUV系列也采用長扁平型外形，與MARTIN相近，流體線性較為粗糙，尾部為直線型過渡收口[4]。以上總體外形可供借鑒，但流線曲面的構造是本研究的難點。

本文通過比較幾種總體結構設計方案在減阻能力、可擴展性、成本和加工周期等方面的優(yōu)劣，選出最優(yōu)方案，并通過沖擊仿真驗證結構設計的可行性，為高航速、低流阻、低成本、可擴展的非回轉體水下航行器的總體結構設計提供思路、方案。

1 總體結構方案設計

針對非回轉體的ROV總體結構設計問題，提出3種外形設計方案。設計方案本身應滿足現(xiàn)有組件尺寸及安裝需求。

1.1 方案1

方案1的布置為完全開架式框架結構，電池艙、中央集線器和推進器等組件固連到開放式框架上，浮體布置在框架頂部，水平面內(nèi)布置4個矢量推進器，豎直面內(nèi)布置2個矢量推進器。該布置方案的細節(jié)如圖1所示。

圖1 方案1結構設計模型Fig. 1 Scheme 1 structural design model

1.2 方案2

根據(jù)經(jīng)驗，為了讓ROV表現(xiàn)出更佳的流體性能，在方案1的基礎上撤去最上層浮體，外加整形罩，罩內(nèi)部增設附體材料，其結構細節(jié)如圖2所示。

整形罩采用B樣條曲面技術生成，整體外形能夠包含方案1中的電池艙、中央集線器和主體框架結構。推進器的布置依舊采用水平面內(nèi)4個矢量布置推進器和豎直面內(nèi)2個矢量布置推進器。整流罩整體呈水滴形，流體線型沒有成熟理論線型依據(jù)，需依靠經(jīng)驗及軟件平臺生成，最后依據(jù)B樣條曲面生成技術連線成面構成整體的整形罩外形。

圖2 方案2結構設計模型Fig. 2 Scheme 1 structural design model

1.3 方案3

借鑒中大型深潛器的外形設計思路，擺脫方案1、方案2框架結構形式，內(nèi)部采用可快速拼裝的橫骨架式框架結構，外部借鑒回轉體的成熟流體線型構建整體線型框架，之后采用曲面生成技術連線成面。本方案取消了之前的水平面內(nèi)4個矢量布置推進器，采用尾部2個大功率矢量推進器代替，豎直面內(nèi)推進器保留，呈前后分布。方案3對應的結構設計細節(jié)如圖3所示。

圖3 方案3結構設計模型Fig. 3 Scheme 3 structural design model

方案3借鑒了回轉體成熟的線型，對線型的選用、主線框架的構建和樣條曲面的生成作詳細說明。首先，基于回轉體線型生成方法構建機輔裝備線型框架結構。常用的回轉體線型設計方法有：半橢圓曲線、拋物線曲線、Nystrom曲線方程、格蘭韋爾曲線方程等線型?？紤]各曲線適用范圍，并參考相關研究成果[2-4]，最終采用阻力相對較小、調整靈活的Nystrom線型。

該線型將整個外形分成3個部分：首段、平行段和尾段。首段、尾段曲線方程為：

式中：D0為最大橫剖面直徑；LE，LR為首端、尾端長度；ne，nr為首段橢圓指數(shù)和尾端拋物線指數(shù)；XE，XR為首端，尾端上點距橫剖面最大直徑處的距離?？紤]航行器內(nèi)部組件尺寸約束及減阻效果，對以上參數(shù)進行初步賦值。參數(shù)的變化是多樣的，本文為初期方案確定，參數(shù)的確定暫不考慮優(yōu)化問題。由曲線方程可確定航行體對稱面線型，如圖4所示。

圖4 對稱面構造線型示意圖Fig. 4 Schematic diagram of symmetrical plane construction line

為使構造線更加圓潤，在豎直對稱線左右兩側增加一對豎直構造線，構造方法與對稱面線型相同，并對尾段尾部作圓角化處理。

圖5 增加豎直構造線示意圖Fig. 5 Added vertical construction line sketchs

由以上構造線型共同構成航行器整體外形結構線型構架。由貝塞爾（Bezier）樣條曲面生成技術可得出外形構架曲面，從而得出外形結構布局，其中B樣條曲面采用特征多邊形及權函數(shù)定義曲線、曲面[5]。

最終得出的外形結構由內(nèi)部組件布局等其他因素影響，被切割成易于加工制造和組裝的形狀，以供航行器組裝。

圖6 外形曲面和切切割后結構示意圖Fig. 6 Shape surface and cut structural diagram

2 方案流體仿真篩選

通常ROV航速較難達到8 kn，在該條件下進行流體仿真分析，以確定3種方案的航行阻力大小，并對方案的可行性進行判定。對以上3種方案進行流體仿真計算，得出在8 kn流速下的航行阻力。

2.1 方案1流體仿真

ROV各個方位角為0，均勻來流V∞=8kn，ROV最大尺度為L≈1m，水密度 ρ=997kg/m3。其Re數(shù)大致為[6]：

其中，ν為運動粘度系數(shù)， m2/s。由于層流邊界層厚度小于湍流邊界層厚度，根據(jù)Re數(shù)對湍流邊界層的厚度進行估計，湍流邊界層厚度為：考慮到ROV自身結構，所有邊界層的厚度取0.02 m，為滿足y+盡量位于30～120范圍內(nèi)，由Re數(shù)估計得到第1層網(wǎng)格厚度應控制為0.0005 m附近，并且在邊界層內(nèi)分布10層網(wǎng)格，邊界層內(nèi)網(wǎng)格增長率為1.287 2。采用RANS進行定常模擬，湍流模型選取能夠對邊界層不同y+都有很好適應性的SSTk-ω模型[7-9]。仿真得出其前進方向流阻約為4 900 N。

圖7 方案1網(wǎng)格模型、流場云圖及阻力曲線Fig. 7 Scheme 1 mesh model, flow field nephogram and drag curve

2.2 方案2流體仿真

方案2與方案1模型尺寸大小相近，可以采用相同的參數(shù)設置。仿真得其前進方向流阻約為2 500 N。

2.3 方案3流體仿真

機輔裝備最大尺度為L=2.2 m，水密度ρ=997kg/m3。其Re數(shù)約為：

由于層流邊界層厚度小于湍流邊界層厚度，根據(jù)Re數(shù)對湍流邊界層的厚度進行估計，湍流邊界層厚度為：

圖8 方案2網(wǎng)格模型及阻力曲線Fig. 8 Schemes 2 mesh model and drag curve

考慮到機輔裝備自身結構，所有邊界層的厚度取0.035 m，為滿足y+盡量位于30～120范圍內(nèi)，由Re數(shù)估計得到第1層網(wǎng)格厚度應控制為0.000 35 m附近，并且在邊界層內(nèi)分布15層網(wǎng)格，邊界層內(nèi)網(wǎng)格增長率為1.239。得出的前進方向上的流體阻力約為450 N。

圖9 方案3網(wǎng)格模型及流場Fig. 9 Scheme 3 mesh model and flow field nephogram

2.4 方案篩選

綜合流體仿真分析結果及各方案的加工難度、成本等因素，對3種方案進行比較分析，結果如表1所示。

表1 各方案對比Tab. 1 Comparison of schemes

高航速帶來的較大流阻給本航行器的設計造成較大困難，方案1、方案2中4個推進器的最大推力為80 kg，均無法達到航速指標要求；而方案3流阻最小，并且推進器總推力達到90 kg，具有一定富裕度，滿足航速指標。在高航速的指標要求下，航行器外形趨向流線型設計。綜合以上分析，選擇流阻最小、其他方面適中的方案3作為最終方案。通過合理布置內(nèi)部組件、浮體和配重，使其重浮心豎直方向重合且重心在下，以提高自身穩(wěn)定性。此外，還需對該方案的框架結構進行設計。

3 框架結構設計

3.1 設計方案

采用2種較為常見的框架結構設計思路，一是采用多段實心鋁合金結構拼裝，二是采用標準鋁型材快速拼裝結構。方案1的詳細結構見圖10，多段框架采用螺栓連接，各框架結構采用一體式加工或多段焊接；方案2的詳細結構見圖11，多段型材之間的連接依靠標準角件和加強螺釘。

圖10 方案1框架結構Fig. 10 Framework of Scheme 1

圖11 方案2框架結構Fig. 11 Framework of Scheme 2

3.2 方案篩選

對于內(nèi)部框架結構，主要關心可擴展性、拆裝方便和成本。依據(jù)工程經(jīng)驗，對比2種框架設計方案的優(yōu)劣，結果如表2所示。

表2 方案對比結果Tab. 2 Comparison of schemes

綜合比較，選擇成本低、可擴展性能較好的方案2。之后需對方案2框架結構的抗沖擊性能進行仿真驗證。

3.3 沖擊仿真

提取方案2中框架結構主體，其他組件以質量塊的形式施加到框架主體上。水下航行器在出水、入水等環(huán)節(jié)面臨較大沖擊，依據(jù)經(jīng)驗取3倍加速度g作為沖擊加速度峰值，對框架結構進行有限元仿真分析，其中g=9.8m/s2。

材料設置為鋁合金，楊氏模量E=69GPa ，密度為ρ=2700kg/m3，泊松比 υ =0.33 。上部吊環(huán)位置設置固定約束，對框架整體施加豎直方向的加速度沖擊，其集中質量設置與施加載荷如圖12所示。

圖12 施加載荷與集中質量塊示意圖Fig. 12 Schematic diagram of applied load and lumped mass block

最后得出框架結構最大應力發(fā)生在上部橫梁處，最大應力為181.9 MPa，小于該型號360 MPa的許用應力，設計符合強度要求，其應力分布云圖如圖13所示。

圖13 應力分部云圖Fig. 13 Stress Nephogram

4 結 語

依據(jù)滿足8 kn航速的ROV設計指標，通過對3種流體外形設計方案進行流體阻力仿真、加工難度和擴拓展性等對比分析，確定方案中最佳的流體外形設計。優(yōu)選的外形設計方案較以往開架式方案流阻大幅降低，降低約90%，所采用的流線型曲面構造方法能夠較好適應非回轉體航行器外形的設計。另外，對2種內(nèi)部框架結構設計方案進行對比分析，對優(yōu)選方案進行了沖擊仿真的強度驗證，設計可靠。

本文研究得出的適用于高航速的ROV減阻外形及內(nèi)部框架結構總體設計方案能夠較好實現(xiàn)低流阻、低成本和可擴展等指標要求，具有較高的工程應用價值。為滿足工程需要，后續(xù)還需對航行器操控性能進行深入研究。