6000 m級(jí)探測(cè)型AUV優(yōu)化設(shè)計(jì)與阻力分析

張洪彬，徐會(huì)希，陳 仲，王亞興，尹 遠(yuǎn)

（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

6000 m級(jí)探測(cè)型AUV優(yōu)化設(shè)計(jì)與阻力分析

張洪彬，徐會(huì)希，陳 仲，王亞興，尹 遠(yuǎn)

（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

使用ISIGHT集成EXCEL，ICEM，ANSYSFLUENT軟件，搭建封閉耦合優(yōu)化仿真平臺(tái)。根據(jù)任務(wù)需求和布置需要得到設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，采用多島遺傳算法，優(yōu)化求解得到局部最優(yōu)AUV設(shè)計(jì)結(jié)果。借助SOLIDWORKS設(shè)計(jì)得到全附體模型，使用ANSYSCFX分別在0°，±2°，±4°，±8°，±16°攻角的條件下，計(jì)算其阻力值，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)摩擦阻力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行理論驗(yàn)證，證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。為6 000m級(jí)探測(cè)型AUV的總體方案設(shè)計(jì)提供了線型參考和布局依據(jù)。

ISIGHT優(yōu)化阻力分析；CFD仿真；ANSYSCFX

自主式水下機(jī)器人[1]（AUV）的研究始于20世紀(jì)初期，作為人類在海洋中的大腦和肢體延伸，A UV的應(yīng)用領(lǐng)域眾多[2]。按照目前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[3]，AUV的研究可主要細(xì)分為以下3個(gè)方向：軍用水下魚(yú)雷的探測(cè)搜索與危險(xiǎn)排除，代表機(jī)器人為HUGIN（挪威KONSBERG）、BPAUV（美國(guó)BLUEFIN）和CETUS（美國(guó)MIT）；深海礦產(chǎn)、生物資源勘測(cè)與海洋冰下探索，代表機(jī)器人為CARIBOU（美國(guó)MIT）、AUTOSUB（英國(guó)SOC）、潛龍一號(hào)（中國(guó)SIA）和潛龍二號(hào)（中國(guó)SIA）；可對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行人為干預(yù)的作業(yè)型AUV，代表機(jī)器人為MIR-I&II（俄羅斯OCEANICS）、SAUVIM（美國(guó)HU）和蛟龍?zhí)枺ㄖ袊?guó)COMRA）。

根據(jù)上述AUV的總結(jié)概括，實(shí)用性已經(jīng)成為AUV發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，研發(fā)能夠解決當(dāng)今時(shí)代難題的實(shí)用型水下機(jī)器人，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)學(xué)者和專家的共同心聲。針對(duì)如何更好地協(xié)助海洋搜救、沉船打撈和水下考古探測(cè)等實(shí)用性難題，本文依托重大研發(fā)項(xiàng)目，優(yōu)化設(shè)計(jì)了6 000m級(jí)探測(cè)型AUV系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和阻力分析，提出了最優(yōu)艇型[4-6]和穩(wěn)定翼型[7]，設(shè)計(jì)得到全附體模型后，進(jìn)行了不同攻角條件下的艇體阻力計(jì)算，通過(guò)理論計(jì)算方法驗(yàn)證，證明計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1 艇型優(yōu)化

使用數(shù)字化、自動(dòng)化的CAE軟件ISIGHT，將優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程耦合成為一個(gè)系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)“分析—優(yōu)化—模型修正—再分析、再優(yōu)化”自動(dòng)循環(huán)流程，獲取局部最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 自循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)框架

常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)體線型有卡克斯型、格蘭維爾型、Myring型、水滴型等，本文使用Myring工程上應(yīng)用十分廣泛的Myring型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Myring型回轉(zhuǎn)體艏、艉部型線方程為：

式中：a為艏段長(zhǎng)度；b為中段長(zhǎng)度；c為艉段長(zhǎng)度；d為平行段直徑；x為長(zhǎng)軸到坐標(biāo)原點(diǎn)（艏部頂點(diǎn)）的距離；r為半徑；n為艏部飽滿度控制參數(shù)（數(shù)值越大越飽滿）；θ為艉部飽滿度控制參數(shù)（數(shù)值越大越飽滿）。根據(jù)總體設(shè)計(jì)需要，中段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.5 m，優(yōu)化過(guò)程為調(diào)整a與n值，b與θ值得到最小直航阻力對(duì)應(yīng)的艏、艉部型線。

本文選擇多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，與傳統(tǒng)的遺傳算法相比，該算法的局部尋優(yōu)能力有了很大的提升。算法將大種群劃分為多個(gè)島（子群），在每個(gè)島內(nèi)分別優(yōu)化計(jì)算，再按比例將島內(nèi)優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)移到其他島內(nèi)繼續(xù)優(yōu)化，最終獲得局部最優(yōu)解。算法的進(jìn)化原理見(jiàn)圖2。其中，i代表多島遺傳優(yōu)化進(jìn)行到第i代，mi為遷移間隔，即每次遷移的代數(shù)，k是整數(shù)。

圖2 多島遺傳算法進(jìn)化原理

對(duì)應(yīng)優(yōu)化結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 優(yōu)化前后艏段線型

圖4 優(yōu)化前后艉段線型

2 鰭舵優(yōu)化與布局

鰭舵設(shè)計(jì)選擇對(duì)稱翼型，充分考慮結(jié)構(gòu)通用性與加工的便利性，選擇NACA00系列翼型。該系列線型的相對(duì)厚度越大，則可獲得更高的升力系數(shù)，且翼型相對(duì)厚度較小時(shí)，壓心基本一致，厚度較大時(shí)壓心趨于靠前。綜合考慮選擇NACA0015翼型作為鰭舵翼型。無(wú)因次型值點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示，圖5為無(wú)因次舵截面圖。

表1 NACA0015無(wú)因次型值點(diǎn)坐標(biāo)

圖5 無(wú)因次舵截面圖

艉舵布局選擇X型舵差分控制，優(yōu)化初值根據(jù)平衡條件，采用理論估計(jì)方法獲得。最終的設(shè)計(jì)原則是充分發(fā)揮和提高舵效。限于篇幅原因，本文只給出艉部鰭舵平面幾何優(yōu)化布局結(jié)果（如圖6所示），以及艏部鰭舵平面幾何優(yōu)化布局結(jié)果（如圖7所示）。

圖6 艉部鰭舵平面幾何優(yōu)化布局結(jié)果

圖7 艏部鰭舵平面幾何優(yōu)化布局結(jié)果

最終設(shè)計(jì)得到艇體和全附體艇型，分別如圖8和圖9所示。全附體艇體參數(shù)如表2所示。

圖8 優(yōu)化結(jié)果圖

圖9 全附體艇型

表2 艇體系統(tǒng)參數(shù)

3 阻力計(jì)算

計(jì)算流體力學(xué)[8-9]（CFD）的分析方法一共有3種：實(shí)驗(yàn)分析、理論分析[5]、CFD模擬。3種方法的特點(diǎn)，可以通過(guò)表3進(jìn)行詳細(xì)比較。

表3 流體力學(xué)的3類計(jì)算方法比較

綜合分析可以得出，3類分析方法各有優(yōu)劣，但是可以看出CFD仿真模擬的優(yōu)勢(shì)最為突出，所以本文采取ANSYSCFX方法計(jì)算AUV的摩擦阻力值，并采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)摩擦阻力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算數(shù)學(xué)模型采用工程上被廣泛應(yīng)用的雷諾時(shí)均算法和兩方程的κ-ε模型，其中κ為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率。

雷諾時(shí)均RANS方程組為：

式中：ρ為流體密度；u'，T'分別為湍流脈動(dòng)速度和脈動(dòng)溫度；ui，T分別為湍流平均速度和平均溫度；Q為單位時(shí)間內(nèi)外部加給單位流體的熱能。

兩方程的κ-ε湍流模型為：

計(jì)算模型劃分單元數(shù)1 936 778，節(jié)點(diǎn)數(shù)391 428，網(wǎng)格模型如圖10所示。網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果如圖11所示。

圖10 網(wǎng)格模型

圖11 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果

艇體表面壓強(qiáng)分布云圖如圖12所示。

圖12 表面壓強(qiáng)分布云圖

由于在不同攻角計(jì)算條件下，Y，Z方向的阻力分力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向阻力，所以可只關(guān)心X方向的阻力計(jì)算結(jié)果，摩擦阻力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 X方向摩擦阻力計(jì)算結(jié)果

阻力系數(shù)定義為單位濕表面積，單位流體動(dòng)壓條件下的阻力。計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：Rt為阻力計(jì)算值；ρ為流體密度；V為航行速度；S為濕表面積。不同攻角條件下的阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示，阻力系數(shù)隨攻角變化曲線如圖13所示。

表5 X方向摩擦阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖13 摩擦阻力系數(shù)隨攻角變化

有攻角時(shí)的阻力系數(shù)值全部小于0°攻角時(shí)的結(jié)果，且攻角越大阻力系數(shù)越小，計(jì)算結(jié)果滿足經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

4 結(jié)果驗(yàn)證

艇體阻力主要包括摩擦阻力和粘壓阻力。摩擦阻力的成因?yàn)榱黧w存在粘性，在艇體的四周形成邊界層而產(chǎn)生阻力。粘壓阻力因?yàn)橥w的曲率變化

后，在艇體各個(gè)部位的壓力產(chǎn)生壓差而產(chǎn)生阻力。艇體總阻力計(jì)算公式為：

式中：Rf為摩擦阻力；RV為粘壓阻力。

本文只取摩擦阻力為研究對(duì)象，所以只考慮摩擦阻力的計(jì)算結(jié)果。摩擦阻力計(jì)算公式為：

式中：ρ為海水密度；本文取4°海水密度，ρ= 1 027.77 kg/m3；V為艇體航行速度；v為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，v=1.6105e-6m2/s；S為艇體濕表面積；Cf為摩擦阻力系數(shù)；ΔCf為粗糙度增量系數(shù)，取值為0.000 4，此系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。工程上摩擦阻力計(jì)算結(jié)果可以取代CFD計(jì)算結(jié)果，所以本文使用理論計(jì)算方法對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

由上述公式計(jì)算得到摩擦阻力理論計(jì)算公式為：

計(jì)算結(jié)果為70.607 N，CFX計(jì)算結(jié)果與理論值相比，相對(duì)誤差為0.562%。證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

本文依托重大研發(fā)項(xiàng)目，研究了6 000 m級(jí)探測(cè)型AUV的最優(yōu)艇型及最優(yōu)穩(wěn)定翼型。通過(guò)對(duì)全附體模型的阻力評(píng)估，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證，證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。本文的研究結(jié)果為該項(xiàng)目的總體方案設(shè)計(jì)提供了線型參考和布局依據(jù)。

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[9]PozrikidisC.Fluid Dynamics:Theory,Computation,and NumericalSimulation[M].German:Springer,2009.

Optimal Design and Drag Analysis for a Type of 6000m Detective AUV

ZHANG Hong-bin,XU Hui-xi,CHEN Zhong,WANG Ya-xing,YIN Yuan
State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,Liaoning Province,China

By using the ISIGHT,the close coupling optimized simulation platform is set up with the softwares of EXCEL,ICEM and ANSYSFLUENT.According to themission requirements and layout,it needs to obtain design variables,state variables and objective function.With the help ofmulti-island genetic algorithm,the design of a local optimal AUV is completed.With the SOLIDWORKS software,the appendage model is designed,and then the drag values can be calculated with ANSYSCFX at the attack angle of 0°,±2°,±4°,±8°,±16°,respectively. In order to prove the reliability of the calculation results,the empirical formula is studied to verify the calculation results of frictional resistances.Therefore,the theoretical reference and practical basis are provided for the overall design scheme of an AUV used for 6000m depth detection.

ISIGHT optimization;drag analysis;CFD simulation;ANSYSCFX

P715.5；TB126

A

1003-2029（2017）01-0047-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.009

2016-08-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2011AA09A102）

張洪彬（1988-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。E-mail：zhanghongbin@sia.cn