鄭志航，嚴(yán)天宏，何 波，孔露強(qiáng)，吳子明

(1. 中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 引 言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是人們探索開發(fā)海洋的主要工具。AUV的航程長短對AUV的應(yīng)用至關(guān)重要[1]。提高航程長度，應(yīng)最小化航行阻力和最大化電池容量[2]。與有纜水下航行器不同，AUV利用無線通信技術(shù)與岸上技術(shù)人員交互需要一個(gè)非金屬的天線。在AUV水下航行時(shí)，無線電衰減很快，基本無法傳播，普通AUV不會安裝體積大，功率高的超低頻天線[3]。暫時(shí)“多余”的附體勢必成為AUV航行阻力，從而影響航行距離。

為了解決這一問題，王廣耀等[4]設(shè)計(jì)了一種可升放式的天線裝置，雖然能有效降低附體迎風(fēng)面積從而降低阻力，但天線體積小、仍有附體阻力；申洪彬等[5]利用雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊天線，方案有效可行，但存在雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動空間大的缺點(diǎn)，在不寬裕的AUV空間內(nèi)占據(jù)較大的空間。本方案使用滑塊連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊天線功能，有占用體積小、能完全減去附體阻力的優(yōu)點(diǎn)。

1 AUV阻力分析

AUV在水下可以實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動，但在日常使用或者水下實(shí)驗(yàn)過程中，AUV直航頻率最高、時(shí)間最長，通過降低AUV水下直航阻力便可提高AUV航行時(shí)間和距離。

1.1 AUV三維模型

為了獲得較長的航程，AUV的外形選擇上既要在水下航行阻力盡量小的同時(shí)，還要盡可能提高艙內(nèi)可用體積用于儲存鋰電池，提供更多的能量。通過比較航行阻力與質(zhì)量的比值來為AUV的外形設(shè)計(jì)提供參考，最終選取橢圓型頭部曲線和MYRING型尾部曲線[6]和作為AUV的主體外形，如圖1所示。

圖1 AUV主體外形圖Fig. 1 AUV main body drawing

為計(jì)算天線附體對整體AUV直航阻力的影響，需要建立2個(gè)三維模型。模型1為艙體加4個(gè)尾舵，模型2為在模型1的基礎(chǔ)上加入天線，擬定天線高度為210 mm，取天線形狀為流線型的NACA0020，天線后掠角為85°。

1.2 仿真計(jì)算

獲得三維模型后使用ICEM CFD構(gòu)建結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有網(wǎng)格質(zhì)量高、仿真運(yùn)算快、結(jié)果精確的優(yōu)點(diǎn)。求解雷諾應(yīng)力平均N-S方程，湍流模型選擇自由剪切流動和壁面限制邊界層流動優(yōu)勢明顯的SST k-omega[7]。而使用這個(gè)模型就要考慮邊界層的首層高度為：其中：y+是 無量綱，對于本文中的低雷諾數(shù)模型，y+=1為 佳；υ 為流體運(yùn)動粘度；u*為 近壁面摩擦系數(shù)，u*=為 壁面剪切應(yīng)力；Re為 雷諾數(shù)， R e=ρuL/υ；u為速度；ρ為流體密度；L為長度。擬取航行器航行速度2.5 m/s，計(jì)算可得首層邊界層高度約為0.01 mm。網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，生成網(wǎng)格如圖2和圖3所示。

圖2 模型1的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖Fig. 2 Structured grid diagram of model 1

圖3 模型2的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖Fig. 3 Structured grid diagram of model 2

導(dǎo)入Fluent軟件中，湍流模型選用k-omega SST，如圖4所示，入口邊界條件設(shè)置為velocity inlet，出口邊界條件設(shè)置為outflow，壁面設(shè)置為symmetry，求解方法選用SIMPLE。結(jié)果如表1所示。

表1 模型1和模型2在不同速度下的阻力對比表Tab. 1 Comparison table of resistance of model 1 and model 2 at different speeds

圖4 邊界條件設(shè)置圖Fig. 4 Boundary condition setting diagram

模型1與模型2的壓力云圖如圖5所示。

圖5 模型在2.5 m/s下的壓力云圖Fig. 5 Model contour of dynamic pressure at 2.5 m/s

經(jīng)過結(jié)果對比，航行器增加天線附體會比沒有天線附體增加至少阻力19%，且航速越快，天線阻力占比越大，因此實(shí)現(xiàn)折疊天線能有效降低航行阻力從而增加航行距離。

2 折疊天線的機(jī)械設(shè)計(jì)

折疊天線裝置包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、天線本體和艙體4個(gè)部分，整機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖6所示。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)。傳動機(jī)構(gòu)包括滾珠絲桿，滑塊滑軌，連桿和軸承，在水下實(shí)現(xiàn)滑塊前進(jìn)后退這種直線往復(fù)運(yùn)動的裝置有防水直線電機(jī)，因?yàn)閮r(jià)格昂貴，控制方法相對復(fù)雜，本文使用價(jià)格不高控制方便的“滾珠絲桿-滑塊滑軌”機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。整體機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律與雨傘的開合運(yùn)動相似，艙內(nèi)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊向前推進(jìn)，同時(shí)連桿1帶動天線整體轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)天線的升起，同理艙內(nèi)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊向后移動，天線折疊收起。

圖6 折疊天線模型圖Fig. 6 Folded antenna model diagram

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

通過對整體機(jī)構(gòu)平面自由度的分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)具有唯一確定的運(yùn)動，并通過幾何和力學(xué)分析，找到在現(xiàn)實(shí)條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 運(yùn)動學(xué)計(jì)算

折疊天線的傳動機(jī)構(gòu)如圖7所示。自由度計(jì)算公式[8]為：

圖7 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig. 7 Plane mechanism movement diagram

其中：F為機(jī)構(gòu)運(yùn)動自由度；N為活動構(gòu)件；PL為低副個(gè)數(shù)；PH為高副個(gè)數(shù)。計(jì)算得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自由度為1，有唯一確定的運(yùn)動。

3.2 運(yùn)動學(xué)計(jì)算

由幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式：

式中：LMAX表示當(dāng)天線為折疊狀態(tài)時(shí)滑塊到固定鉸鏈中心的距離；LMIN表示天線完全豎起時(shí)滑塊到固定鉸鏈中心的距離；A為固定鉸鏈到滑塊中心的垂直距離；B為固定鉸鏈到天線旋轉(zhuǎn)鉸鏈中心的距離；C為轉(zhuǎn)動連桿的長度；D為輔助尺寸，L表示固定鉸鏈到滑塊中心的直線距離；α表示轉(zhuǎn)動連桿于水平面的夾角；β表示天線與水平面的夾角；V0表示滑塊勻速移動的速度；V表示天線瞬時(shí)轉(zhuǎn)動線速度，T表示天線從折疊狀態(tài)到豎起狀態(tài)的總時(shí)長，t表示運(yùn)動時(shí)間；ω表示天線瞬時(shí)轉(zhuǎn)動角速度。

簡化可得：

設(shè)V0=10 mm/s，根據(jù)實(shí)際情況取3組幾何數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行計(jì)算，3組幾何數(shù)據(jù)分別為：

根據(jù)上述方程，利用Matlab軟件可得 β－t的曲線圖，如圖8所示。當(dāng)滑塊滑動速度相同時(shí)，機(jī)構(gòu)參數(shù)B越大，折疊伸縮的時(shí)間越長，曲線平均曲率（平均角速度ω）越小，曲率的變化率（角加速度）越大；機(jī)構(gòu)參數(shù)C越大，折疊伸縮的時(shí)間越短，曲線平均曲率（平均角速度ω）越大，曲率的變化率（角加速度）越小。在不考慮折疊伸縮時(shí)間的情況下，機(jī)構(gòu)參數(shù)B應(yīng)盡量選大，機(jī)構(gòu)參數(shù)C應(yīng)盡量選小。

圖8 β-t的曲線圖Fig. 8 Graph of β with respect to t

4 密封設(shè)計(jì)及可行性分

折疊天線涉及分體式天線的局部運(yùn)動和滾珠絲桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動，需要對這兩部分進(jìn)行防水處理。

4.1 密封設(shè)計(jì)

天線的密封如圖9所示。本文采用2處靜密封[8]，分別是天線和天線壓蓋中間的一處和天線壓蓋與穿線螺母中間的一處，通過兩道靜密封[9]實(shí)現(xiàn)天線整體密封，靜密封O型圈型號及密封槽尺寸均選用司達(dá)行的密封標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)天線出線端使用穿線螺絲和穿線螺母將天線內(nèi)傳感器模塊的信號線和電源線引到天線外部，而后使用環(huán)氧樹脂對穿線螺釘進(jìn)行灌封。對于滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動，需要對艙體和絲桿轉(zhuǎn)動處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動密封[10]，如圖10所示。為了方便加工和降低加工成本，將整個(gè)密封裝置模塊化分塊，密封壓蓋A與艙體之間使用一道靜密封，密封壓蓋A內(nèi)端有一道O型密封圈，通過密封壓蓋B緊壓軸承進(jìn)而擠壓軸承壓蓋保證該道密封圈的密封效果，為保險(xiǎn)起見，在密封壓蓋中再加入一道動密封O型圈，同時(shí)在密封壓蓋A和密封壓蓋B中間加一道靜密封從而保證2個(gè)零件水密。密封圈和密封槽尺寸同樣選用司達(dá)行的密封標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 天線密封設(shè)計(jì)Fig. 9 Antenna seal design

圖10 轉(zhuǎn)軸密封設(shè)計(jì)Fig. 10 Rotary shaft seal design

為驗(yàn)證密封設(shè)計(jì)的可行性，本文通過轉(zhuǎn)動軸不同角度并進(jìn)行多次打壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證整個(gè)裝置的靜態(tài)水密性和轉(zhuǎn)動后的水密性。

4.2 可行性分析

為了驗(yàn)證滾珠絲桿處的旋轉(zhuǎn)動密封，將模型依次安裝在水下密封艙中，進(jìn)行模擬水下200 m的打壓實(shí)驗(yàn)，在壓力罐中加壓2 MPa，并保壓1 h，驗(yàn)證其水下密封性。結(jié)果表明，密封方案可行。

5 結(jié) 語

本文通過CFD仿真對比，得出在直航的情況下，傳統(tǒng)AUV直立天線比實(shí)現(xiàn)折疊天線后的新型長航程AUV阻力要增加至少19%。因此實(shí)現(xiàn)水下航行時(shí)天線收起，需要使用時(shí)再折疊伸出具有很強(qiáng)的使用需求。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用滾珠絲桿將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動，通過滑塊的直線運(yùn)動帶動滑塊上的連桿運(yùn)動，通過連桿間的約束，實(shí)現(xiàn)天線的折疊升降。確定折疊方案后繪制平面機(jī)構(gòu)簡圖，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度得出當(dāng)滑塊直線運(yùn)動時(shí)，整體機(jī)構(gòu)有確定、唯一的運(yùn)動。通過幾何關(guān)系和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)各個(gè)構(gòu)件的具體參數(shù)，推導(dǎo)出幾何關(guān)系式，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，并通過理論計(jì)算得出相對較優(yōu)的參數(shù)。打壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了天線密封和運(yùn)動機(jī)構(gòu)密封方案的可行性。