適用于高航速下的ROV減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張 凱，楊賀然，孫鐵繩，范 輝，李 云

(中國(guó)船舶集團(tuán)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(zhuǎn)體和非回轉(zhuǎn)體2種外形結(jié)構(gòu)形式，一般回轉(zhuǎn)體航行器多側(cè)重航速、航程等指標(biāo)，非回轉(zhuǎn)體航行器多運(yùn)用在低速條件下，側(cè)重操控性能。回轉(zhuǎn)體航行器在減阻能力上更具優(yōu)勢(shì)，但是在可擴(kuò)展性、低速操控性等方面劣勢(shì)明顯。非回轉(zhuǎn)體ROV通常包括開架式和半封閉式結(jié)構(gòu)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(lǐng)域；半封閉式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)布局[1]。

針對(duì)可以應(yīng)用在內(nèi)河8 kn水流流速下的ROV總體設(shè)計(jì)問題，不僅要滿足低流體阻力要求，還需滿足可擴(kuò)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(lǐng)域，外形結(jié)構(gòu)較為單一，多為框架式和方箱式，可借鑒的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案較少[2]，而AUV領(lǐng)域研究較多。國(guó)內(nèi)未見相關(guān)研究；國(guó)外，歐盟MARTIN-AUV采用長(zhǎng)扁平型外形，包含前中后3段，中段、尾端各布置2個(gè)推進(jìn)器，中前部設(shè)置水平穩(wěn)定翼，整體呈流線型，外形曲面構(gòu)造方法未見描述[3]；美國(guó)NPS-AUV系列也采用長(zhǎng)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(gòu)造是本研究的難點(diǎn)。

本文通過比較幾種總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在減阻能力、可擴(kuò)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(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為高航速、低流阻、低成本、可擴(kuò)展的非回轉(zhuǎn)體水下航行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供思路、方案。

1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)非回轉(zhuǎn)體的ROV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，提出3種外形設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案本身應(yīng)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(jié)構(gòu)，電池艙、中央集線器和推進(jìn)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(gè)矢量推進(jìn)器，豎直面內(nèi)布置2個(gè)矢量推進(jìn)器。該布置方案的細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖1 方案1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型Fig. 1 Scheme 1 structural design model

1.2 方案2

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了讓ROV表現(xiàn)出更佳的流體性能，在方案1的基礎(chǔ)上撤去最上層浮體，外加整形罩，罩內(nèi)部增設(shè)附體材料，其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖2所示。

整形罩采用B樣條曲面技術(shù)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(jié)構(gòu)。推進(jìn)器的布置依舊采用水平面內(nèi)4個(gè)矢量布置推進(jìn)器和豎直面內(nèi)2個(gè)矢量布置推進(jìn)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(yàn)及軟件平臺(tái)生成，最后依據(jù)B樣條曲面生成技術(shù)連線成面構(gòu)成整體的整形罩外形。

圖2 方案2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路，擺脫方案1、方案2框架結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部采用可快速拼裝的橫骨架式框架結(jié)構(gòu)，外部借鑒回轉(zhuǎn)體的成熟流體線型構(gòu)建整體線型框架，之后采用曲面生成技術(shù)連線成面。本方案取消了之前的水平面內(nèi)4個(gè)矢量布置推進(jìn)器，采用尾部2個(gè)大功率矢量推進(jìn)器代替，豎直面內(nèi)推進(jìn)器保留，呈前后分布。方案3對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 方案3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型Fig. 3 Scheme 3 structural design model

方案3借鑒了回轉(zhuǎn)體成熟的線型，對(duì)線型的選用、主線框架的構(gòu)建和樣條曲面的生成作詳細(xì)說明。首先，基于回轉(zhuǎn)體線型生成方法構(gòu)建機(jī)輔裝備線型框架結(jié)構(gòu)。常用的回轉(zhuǎn)體線型設(shè)計(jì)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。考慮各曲線適用范圍，并參考相關(guān)研究成果[2-4]，最終采用阻力相對(duì)較小、調(diào)整靈活的Nystrom線型。

該線型將整個(gè)外形分成3個(gè)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(zhǎng)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(diǎn)距橫剖面最大直徑處的距離。考慮航行器內(nèi)部組件尺寸約束及減阻效果，對(duì)以上參數(shù)進(jìn)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(duì)稱面線型，如圖4所示。

圖4 對(duì)稱面構(gòu)造線型示意圖Fig. 4 Schematic diagram of symmetrical plane construction line

為使構(gòu)造線更加圓潤(rùn)，在豎直對(duì)稱線左右兩側(cè)增加一對(duì)豎直構(gòu)造線，構(gòu)造方法與對(duì)稱面線型相同，并對(duì)尾段尾部作圓角化處理。

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

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

最終得出的外形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dá)到8 kn，在該條件下進(jìn)行流體仿真分析，以確定3種方案的航行阻力大小，并對(duì)方案的可行性進(jìn)行判定。對(duì)以上3種方案進(jìn)行流體仿真計(jì)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(gè)方位角為0，均勻來流V∞=8kn，ROV最大尺度為L(zhǎng)≈1m，水密度 ρ=997kg/m3。其Re數(shù)大致為[6]：

其中，ν為運(yùn)動(dòng)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(duì)湍流邊界層的厚度進(jìn)行估計(jì)，湍流邊界層厚度為：考慮到ROV自身結(jié)構(gòu)，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(jì)得到第1層網(wǎng)格厚度應(yīng)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(zhǎng)率為1.287 2。采用RANS進(jìn)行定常模擬，湍流模型選取能夠?qū)吔鐚硬煌瑈+都有很好適應(yīng)性的SSTk-ω模型[7-9]。仿真得出其前進(jìn)方向流阻約為4 900 N。

圖7 方案1網(wǎng)格模型、流場(chǎng)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(shè)置。仿真得其前進(jìn)方向流阻約為2 500 N。

2.3 方案3流體仿真

機(jī)輔裝備最大尺度為L(zhǎng)=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(duì)湍流邊界層的厚度進(jìn)行估計(jì)，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(jī)輔裝備自身結(jié)構(gòu)，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(jì)得到第1層網(wǎng)格厚度應(yīng)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(zhǎng)率為1.239。得出的前進(jìn)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(chǎng)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(jié)果及各方案的加工難度、成本等因素，對(duì)3種方案進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表1所示。

表1 各方案對(duì)比Tab. 1 Comparison of schemes

高航速帶來的較大流阻給本航行器的設(shè)計(jì)造成較大困難，方案1、方案2中4個(gè)推進(jìn)器的最大推力為80 kg，均無法達(dá)到航速指標(biāo)要求；而方案3流阻最小，并且推進(jìn)器總推力達(dá)到90 kg，具有一定富裕度，滿足航速指標(biāo)。在高航速的指標(biāo)要求下，航行器外形趨向流線型設(shè)計(jì)。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(duì)該方案的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

采用2種較為常見的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，一是采用多段實(shí)心鋁合金結(jié)構(gòu)拼裝，二是采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材快速拼裝結(jié)構(gòu)。方案1的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖10，多段框架采用螺栓連接，各框架結(jié)構(gòu)采用一體式加工或多段焊接；方案2的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖11，多段型材之間的連接依靠標(biāo)準(zhǔn)角件和加強(qiáng)螺釘。

圖10 方案1框架結(jié)構(gòu)Fig. 10 Framework of Scheme 1

圖11 方案2框架結(jié)構(gòu)Fig. 11 Framework of Scheme 2

3.2 方案篩選

對(duì)于內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)，主要關(guān)心可擴(kuò)展性、拆裝方便和成本。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比2種框架設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，結(jié)果如表2所示。

表2 方案對(duì)比結(jié)果Tab. 2 Comparison of schemes

綜合比較，選擇成本低、可擴(kuò)展性能較好的方案2。之后需對(duì)方案2框架結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.3 沖擊仿真

提取方案2中框架結(jié)構(gòu)主體，其他組件以質(zhì)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(yàn)取3倍加速度g作為沖擊加速度峰值，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，其中g(shù)=9.8m/s2。

材料設(shè)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(shè)置固定約束，對(duì)框架整體施加豎直方向的加速度沖擊，其集中質(zhì)量設(shè)置與施加載荷如圖12所示。

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

最后得出框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在上部橫梁處，最大應(yīng)力為181.9 MPa，小于該型號(hào)360 MPa的許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求，其應(yīng)力分布云圖如圖13所示。

圖13 應(yīng)力分部云圖Fig. 13 Stress Nephogram

4 結(jié) 語

依據(jù)滿足8 kn航速的ROV設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過對(duì)3種流體外形設(shè)計(jì)方案進(jìn)行流體阻力仿真、加工難度和擴(kuò)拓展性等對(duì)比分析，確定方案中最佳的流體外形設(shè)計(jì)。優(yōu)選的外形設(shè)計(jì)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(gòu)造方法能夠較好適應(yīng)非回轉(zhuǎn)體航行器外形的設(shè)計(jì)。另外，對(duì)2種內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行了沖擊仿真的強(qiáng)度驗(yàn)證，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案能夠較好實(shí)現(xiàn)低流阻、低成本和可擴(kuò)展等指標(biāo)要求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。為滿足工程需要，后續(xù)還需對(duì)航行器操控性能進(jìn)行深入研究。