開架式水下機(jī)器人操縱性水動力系數(shù)計算

薛乃耀 王冬姣 葉家瑋 劉鯤

摘? ? 要：開架式水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其操縱性水動力學(xué)模型具有高度非線性且是耦合的，航行性能也因結(jié)構(gòu)多樣而不相同。為完成清污水下機(jī)器人的推進(jìn)器布置方案，基于零航速展開的二階水動力模型，采用Fluent數(shù)值仿真方法模擬機(jī)器人的直航、斜航和定軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，并通過AQWA獲得水下機(jī)器人的附加質(zhì)量矩陣。根據(jù)獲得的水動力情況配置ROV推進(jìn)系統(tǒng)，通過最小二乘法擬合獲得清污水下機(jī)器人的各項水動力系數(shù)。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;水動力模型;數(shù)值計算

中圖分類號：U661.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The structure of the open-frame underwater remote operated vehicle （ROV） is complex， its maneuverability hydrodynamic model is highly nonlinear and coupled. and the navigation performance of the ROV varies with structures， therefore it is difficult to build a maneuverability model with enough accuracy. In order to complete the layout of the propeller system of the ROV， based on the second-order hydrodynamic model expanding at zero speed， Fluent numerical simulation method is adopted to simulate the direct navigation， oblique navigation and fixed-axis rotary motion of the ROV， and the added mass matrix is obtained by using AQWA. According to the result of the numerical calculation， the thruster system is built and the hydrodynamic coefficients are computed according to least-square method.

Key words： Underwater robot; Hydrodynamic model; Numerical calculation

1? ? ?引言

遙控帶纜水下機(jī)器人（ROV）在海洋資源開采、海洋探測和海洋工程作業(yè)中應(yīng)用廣泛。目前ROV多為開架式結(jié)構(gòu)，機(jī)箱、浮體、螺旋槳以及作業(yè)工具直接安裝于機(jī)器人框架上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。水下機(jī)器人的操縱性是其水下作業(yè)能力的重要影響因素，其主要受機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)配置和控制律影響。要使水下機(jī)器人的作業(yè)能力滿足設(shè)計要求，必須綜合考慮機(jī)器人的水動力性能，為推進(jìn)系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。2015年，挪威科技大學(xué)Ole Alexander Eidsvik[1]利用基于勢流理論的CFD軟件WADAM計算了多種型號水下機(jī)器人的附加質(zhì)量，并與經(jīng)驗(yàn)公式、實(shí)驗(yàn)數(shù)值及WAMIT計算結(jié)果作對比，若實(shí)驗(yàn)儀器精度不足，則CFD計算結(jié)果與參考值更為接近。

自主式水下機(jī)器人和載人潛水器的水動力模型大多為潛艇運(yùn)動方程，基于一個定常運(yùn)動速度和小擾動疊加得到。通過以定常運(yùn)動為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行泰勒展開，導(dǎo)出潛艇運(yùn)動的水動力系數(shù)。對于本文設(shè)計的水下清污機(jī)器人而言，由于液壓系統(tǒng)和作業(yè)工具的存在，三向不對稱，作業(yè)期間推進(jìn)系統(tǒng)的主要任務(wù)為定點(diǎn)懸停和姿態(tài)調(diào)整，基于定常運(yùn)動的潛艇水動力模型并不適用。本文采用文獻(xiàn)[2]的開架式ROV水動力模型，通過ANSYS-AQWA和Fluent計算水下機(jī)器人的水動力系數(shù)，為其推進(jìn)器配置選型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

2? ? ?水動力函數(shù)

作業(yè)型ROV為滿足作業(yè)要求，通常需要進(jìn)行較為靈活的操縱，因而設(shè)計航速較低，縱向直航不是ROV的主要運(yùn)動。徐詩婧[2]參考Fossen等[3]學(xué)者的研究結(jié)果，將ROV水動力模型表示為速度和加速度的函數(shù)，并以零航速為基準(zhǔn)點(diǎn)展開至二階?？紤]到ROV存在結(jié)構(gòu)不對稱性，在不對稱方向的運(yùn)動所產(chǎn)生的水動力受到運(yùn)動方向的影響，在二階展開式的基礎(chǔ)上加入部分系數(shù)作為補(bǔ)充。

3? ? ?計算工況

3.1? ?慣性類水動力

ROV的慣性類水動力通常通過平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)獲取，在六自由度方向分別進(jìn)行縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖試驗(yàn)。這種方法需要進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)或者數(shù)值仿真計算，并需要改變運(yùn)動頻率以獲得更為準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)。這對于水下機(jī)器人的初步設(shè)計而言并不有利，而Ole Alexander Eidsvik[1]的對比結(jié)果表明，基于勢流理論計算附加質(zhì)量具有一定的可靠性。本文水下機(jī)器人的附加質(zhì)量矩陣通過ANSYS AQWA經(jīng)一次計算獲得，并按照SNAME（1950）[4]對海洋航行器運(yùn)動規(guī)范定義速度、作用力等符號。

對于水面航行船舶，其附加質(zhì)量與波浪頻率相關(guān);而水下航行器當(dāng)航行深度足夠大時，其水動力系數(shù)與波浪激勵頻率無關(guān)[3]。在AQWA中計算附加質(zhì)量時，將ROV航行深度設(shè)置為水面以下20 m，質(zhì)量、慣性矩等參數(shù)采用Solidworks建模數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表2所示（坐標(biāo)原點(diǎn)位于ROV框架中心）。

3.2? ?粘性類水動力

ROV的粘性類水動力系數(shù)通過Fluent數(shù)值計算獲取。其中與線速度相關(guān)的粘性類水動力可以通過直航和斜航數(shù)值模擬計算獲得，計算工況如表3所示。在三向不對稱情況下，各個速度方向的變化均會對ROV水動力產(chǎn)生影響，在斜航數(shù)值模擬中，通過在速度入口直接設(shè)置速度分量的方式模擬ROV的斜航運(yùn)動，斜航運(yùn)動數(shù)值實(shí)驗(yàn)分組以速度（Vi， Vj）表示。使用這種方法，可以避免斜航運(yùn)動中漂角和攻角變化后需要重新劃分網(wǎng)格的問題，并減少了數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果處理的計算量。

在ROV的姿態(tài)調(diào)整工況中，ROV通常進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動。許孟孟[5]分別采用運(yùn)動參考坐標(biāo)系方法（MRF）和重疊網(wǎng)格方法進(jìn)行潛水器的定點(diǎn)轉(zhuǎn)首工況的計算，獲得了復(fù)雜外形潛水器的回轉(zhuǎn)水動力，并將計算結(jié)果代入Simulink模型中進(jìn)行回轉(zhuǎn)控制模擬，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。因此，在估算ROV旋轉(zhuǎn)水動力系數(shù)時采用MRF方法，計算工況如表3所示，忽略回轉(zhuǎn)運(yùn)動的耦合水動力的影響。

4? ? ?計算結(jié)果

在AQWA中劃分網(wǎng)格，如圖1所示。網(wǎng)格數(shù)為23691，設(shè)置計算頻率10個（由程序指）定。通過查詢計算結(jié)果可知，每個頻率所得到的附加質(zhì)量矩陣相同，與無界流中附加質(zhì)量與頻率無關(guān)結(jié)論一致。

對水下機(jī)器人進(jìn)行粘性水動力計算前，先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)取航速0.8 m/s直航運(yùn)動作為算例，分別以170萬、270萬、369萬及650萬網(wǎng)格進(jìn)行計算。計算結(jié)果如圖2所示。最終采用網(wǎng)格數(shù)369萬的計算方案，對ROV的直航和斜航運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬，計算時ROV固定，通過設(shè)置入口來流速度改變ROV航速。因?yàn)镽OV聲吶信標(biāo)安裝位置為ROV框架中心，作用力和力矩的輸出基準(zhǔn)也設(shè)置為ROV框架中心，基準(zhǔn)軸方向平行于全局坐標(biāo)系。

（1）直航工況的計算結(jié)果，如圖4所示。在x方向上的不對稱性引起的阻力變化較小，由于機(jī)器人存在抱抓，x方向投影面積較大，并產(chǎn)生了極大的z軸力矩，航速為0.8 m/s時達(dá)到了229 N·m;此外，ROV框架內(nèi)部設(shè)備較多布置于yz平面上且直接外露于流場中，水流在流經(jīng)x方向時產(chǎn)生的航行阻力遠(yuǎn)大于其余方向;z軸受兩側(cè)浮力材料遮擋的影響，ROV框架內(nèi)設(shè)備布置不對稱對沿z方向直航阻力影響不大，但是抱臂和機(jī)械臂的存在使ROV在沿z方向直航時伴有較大的回轉(zhuǎn)力矩，航行穩(wěn)定性極差;在y方向，ROV存在明顯的不對稱性，在正方向和負(fù)方向航行時阻力幅值具有明顯的差異，但是這一方向上的直航阻力僅稍大于z方向阻力，且在其余自由度上產(chǎn)生的阻力和力矩幅值極小。

（2）斜航工況的計算結(jié)果，如表4所示。x， y， z分別表示來流方向，F(xiàn)luent中輸出在固定坐標(biāo)系下的作用力，F(xiàn)x、Fy、Fz分別表示固定坐標(biāo)系下的水動力，Mx、My、Mz分別表示固定坐標(biāo)系下的力矩。

（3）回轉(zhuǎn)水動力僅在回轉(zhuǎn)方向有較為顯著的作用力，因此忽略回轉(zhuǎn)運(yùn)動方向以外的水動力影響，其計算結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)以上水動力計算的結(jié)果，可以考慮ROV的推進(jìn)器布置方案并將ROV的首向選擇為y方向。

從首向控制而言 ，x方向和y方向需要的控制力矩相當(dāng)，但x方向阻力過大，航行穩(wěn)定性較差。若將ROV的主推進(jìn)器沿x軸方向布置，則航行時推進(jìn)器需要頻繁調(diào)整推力輸出，以保證ROV保持直航，這對推進(jìn)系統(tǒng)而言負(fù)荷過大。由于浮體的存在，z方向雖然航行阻力較小，但是難以布置推進(jìn)器。因此，在配置ROV的推進(jìn)螺旋槳時，將三個主推進(jìn)器設(shè)置于ROV底部，推力沿y方向。兩側(cè)浮體各有一個沿x方向的螺旋槳，輔助ROV航行時的姿態(tài)調(diào)整，此時圖3中y， z， x方向分別為ROV的縱蕩、橫蕩、垂蕩方向。

最終，對水動力系數(shù)擬合按照此坐標(biāo)系計算，得到：縱蕩方向直航運(yùn)動、橫蕩方向直航運(yùn)動、垂蕩方向直航運(yùn)動、縱蕩-橫蕩耦合、縱蕩-垂蕩耦合、縱蕩-橫蕩耦合水動力系數(shù)。其中較為顯著的部分系數(shù)及附加質(zhì)量如表5所示。

5? ? ?總結(jié)與展望

通過綜合利用ANSYS AQWA和Fluent，快速獲取開架式清污水下機(jī)器人的航行阻力和水動力系數(shù)，并根據(jù)數(shù)值計算得到的ROV水動力性能，綜合考慮阻力和ROV框架的剩余空間，配置推進(jìn)螺旋槳布局。以零航速為基準(zhǔn)點(diǎn)，采用最小二乘法擬合得到ROV的水動力導(dǎo)數(shù)。

在后續(xù)的研究中，將以本文求得的水動力系數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計清污水下機(jī)器人的自適應(yīng)運(yùn)動控制算法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并更新機(jī)器人的水動力系數(shù)，以獲得更為準(zhǔn)確的水動力計算模型，提高水下機(jī)器人航行控制和作業(yè)精度。

參考文獻(xiàn)

[1] EidsvikO A . Identification of Hydrodynamic Parameters for RemotelyOperated Vehicles[J]. 2015.

[2] 徐詩婧. 開架式ROV水動力特性與運(yùn)動仿真研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.

[3] Fossen T I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control[J]. IEEE Control Systems， 2016， 36（1）：78-79.

[4] SNAME （1950）. The Society of Naval Architects and Marine Engineers. Nomenclature for Treating theMotion of a Submerged Body Through a Fluid. In： Technical and Research Bulletin No. 1–5.

[5] 許孟孟， 馮正平， 畢安元， 樊斌， 姜濤. 復(fù)雜外形潛水器旋轉(zhuǎn)水動力的計算[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2018，52（07）：764-769.