U型動力救生裝置的仿真優化分析

閆炳成，曹 樂，金厚鑫，汪新坤，楊 誕

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引 言

隨著藍色海洋經濟的蓬勃發展，海上對外貿易與交流日益頻繁，海難事故也時有發生，并造成了巨大的人員傷亡。據衛生部統計，全國每年約有57 000人死于溺水，相當于每天150多人溺水死亡。2021年7月20日河南遭遇百年不遇暴雨，造成多人失蹤及遇難。如何對落水者實現安全可靠、快速及時的水域營救以及使施救人員低風險、低傷害地展開施救行為過程，成為當前水上救援領域亟需解決的難題。高超楠等人提出一種水上多功能遙控U型救生裝置，并做了可行性分析。李永正等人、李雙月等人分別對U型救生裝置的阻力性能及流體性能進行研究，得到不同負載下的阻力變化理論。本文提出一種對U型動力救生裝置的優化設計方案。該方案將進一步從流線減阻結構和人體工學設計、動力模塊設計、安全性優化分析三個方面著手，對U型動力救生裝置的流線外形、舒適度、高效快速救援以及安全性進行優化設計。

流線減阻結構，基于UGNX11.0軟件建立三維模型，在CFD軟件Solidworks flow simulation中優化其流體外形，可使裝置獲得更快的水中航行速度，減少水中航行的阻力，縮短救援時間，同時抑制水花上揚，從而減少水花對落水者臉部的沖擊及視線干擾，以防再生對落水者的傷害。人體工學設計，從落水者握持U型動力裝置的舒適度出發，減少因U型動力裝置本身的結構原因造成落水者握持的手臂麻木，而失去握持能力導致二次落水的現象。

動力模塊設計，直接決定了救援能力及救援的速度，如何研發設計高效輸出的動力模塊是該部分設計的關鍵。根據噴射推進器和整流罩的設計原理，在Solidworks flow simulation軟件的幫助下，設計出了一款輸出較強的動力模塊。

安全性優化分析，基于UGNX11.0 Nastran結構分析模塊和Ansys Workbench 2019 R3軟件實現，主要包括上下側施壓、頭部施壓和橫向碰撞等方面的有限元分析實驗，以檢驗和優化裝置在結構強度和剛度以及抗沖擊能力的可靠性與安全性。

綜上，本文從減阻外形和人體工學的結構設計、高效的動力輸出、安全性優化分析三方面，對U型動力救生裝置進行三維模型設計、CFD仿真對比、FEA分析檢驗優化，使其具備快速、可靠、安全、穩定營救落水者的能力。

1 流線結構分析

1.1 結構設計

動力救生裝置的結構，借鑒了潛艇和動車頭部的流線型布局，如圖1所示，采用了德國西門子公司的UGNX11.0軟件進行三維實體模型設計。針對裝置的減阻外形、水花上揚問題和人體工學原理，設計出水阻力小，正反對稱的U型結構及提升握持舒適度的下凹板面和三角孔形把手，如圖2所示。該裝置的正視圖（圖2（b））及左視圖（圖2（d））具有類似潛艇流線布局的水動外形；其頭部中間的凸面艙，是裝置的主控制艙，而外形則類似動車頭部的流線曲面。主體材料采用ABS工程塑料，由3D打印增材制造加工完成，該材料強度高，韌性好，有較高的抗沖擊能力，易上色著色，可利用3D打印等方式便捷加工。

圖1 潛艇及動車外部流線型結構Fig.1 External streamlined structure of the submarine and highspeed train

圖2 U型動力救生裝置的結構Fig.2 The structure of the U-shaped power life-saving devices

下凹板面和三角孔形把手設計，如圖3（a）紅色所示，下凹板面形成對落水者手臂胳膊的多面支撐，直板可降低握持時手臂曲度，方便握持，三角孔形把手可使落水者的手部四指均勻受力，握持更有力、更牢固，如圖3（b）所示。而如圖3（c）所示的斜邊握持方式，易造成手部的滑動和對小拇指等部位的擠壓，從而影響落水者手部抓穩效果。通過UG NX 11.0軟件的人體建模模塊對三角孔形把手設計進行剖解與分析，在人體舒適度標準porter1998下，手部獲得綠色評價，表明其具有舒適的握持姿態。該設計不僅可提升舒適度，同時可防止浪花對手部的拍打，并在發生撞擊時可保護手部的安全。

圖3 人體工學的握持設計Fig.3 Ergonomic grip design

總結上文的結構設計，可列出U型動力救生裝置的各項性能參數，見表1。

表1 U型動力救生裝置的各項性能參數Tab.1 Performance parameters of U-shaped power life-saving devices

該理論浮力值大致相當于海事船檢部門認證和符合國家標準（GB-4302-2008）的水域救援專用2.5 kg型救生圈的浮力值，可承重110 kg以下。

1.2 水阻力仿真測試

水阻力的仿真測試，基于計算流體力學（CFD）實現。CFD技術將運動學、流體力學和計算機技術緊密結合在一起，已經成為解決各類阻力計算的重要工具。當前，CFD被廣泛應用于各類水域設備的阻力優化和水動力特性的研究中。

CFD軟件通常將水看成是不可壓縮的粘性流體，分析該類流體，通常從質量、動量、能量以及流動狀態四個角度進行。針對水阻力的仿真，一般忽略熱傳導與熱交換，因此，能量守恒可以忽略。

根據質量守恒，得到其連續性方程為：

動量守恒方程為：

湍流模型為型，該方程由湍動能方程和湍動能耗散率方程組成，其模型參數通過試驗擬合得到，可較好地適用于浮力、阻力等的仿真計算中。Standard湍流模型的輸運方程為：

本文結合CFD軟件Solidworks flow simulation 2018，對U型動力救生裝置進行水阻力仿真測試，以通過對比找出最優的流線型結構。將3種外形結構不同、體積大小相同的U型的動力裝置置于勻速5 m／s的流動計算域中，計算其在三維水域空間中的阻力大小，進而獲得阻力最小的動力救生裝置外形。1號船為市場在售某款U型救生裝置，2號為加裝了整流設計的某型動力救生裝置，3號為本文U型動力救生裝置，對比結果見表2。

表2 不同U型動力救生裝置阻力仿真對比Tab.2 Comparison of resistance simulation of different U-shaped power life-saving devices

通過以上的結果可發現，3號裝置相比于其它2款阻力最小，從而表明了該外形設計具有較優的減阻能力，可顯著提升裝置的移動速度。3號裝置的U形內側有更少的藍色低壓流體，代表著擁有更少的水花上揚現象。

2 動力模塊設計分析

對于落水者的救援往往是比較緊急的，時間就是生命，而快速救援需要較強輸出能力的動力模塊。該動力模塊采用了CYS型強磁無刷電機，值為3 600，最大功率為900 W。在Solidworks flow simulation軟件的幫助下，進行了水中動力模塊位置限定的對比仿真實驗，如圖4所示。圖4（a）為相同功率的涵道式推進器，圖4（b）為本文結合整流罩設計和噴泵原理設計的動力推進模塊。從CFD實驗的結果來看，圖4（a）展示的涵道式推進器尾部噴口速度為14.4 m／s，推力大小為5.6 kg；圖4（b）動力模塊的尾部噴口可實現高達23.6 m／s的高速射流，推力大小為9.26 kg。通過對比發現，圖4（b）動力模塊擁有更強的動力輸出，故U型動力救生裝置選擇圖4（b）中顯示的動力模塊。

圖4 動力模塊CFD結果Fig.4 CFD results of the power module

將搭載了雙動力模塊的U型動力救生裝置，置于靜流的水中進行仿真測試，該雙動力模塊均達到了近17 m／s的噴口射流速度，從而使U型動力裝置實現了4.89 m／s的空載移動速度，沒有出現空化現象，如圖5所示。

圖5 U型動力救生裝置仿真效果Fig.5 Simulation results of U-shaped dynamic life-saving devices

3 安全性優化分析

3.1 內部結構設計

水上救援設備的安全性與穩定性，直接關乎救援的成功與否。為了實現安全救援的目標，需要U型動力裝置具有良好的浮性和結構強度，綜合這2方面，本文借鑒了船舶多艙室的設計，對U型動力救生裝置的內部進行小艙室柵格結構設計，如圖6所示。如此，局部損傷漏水可限制在一個或幾個柵格艙室內，從而避免了大面積的滲水導致浮力顯著降低的現象。同時，相比于單艙室對整體結構的強度也有提升。

圖6 U型動力救生裝置內部柵格結構Fig.6 Internal grid structure of U-shaped dynamic life-saving devices

3.2 靜力學有限元分析

本文從靜力學分析和動態碰撞兩方面，對U型動力救生裝置的結構強度進行優化分析中。靜力學分析中，采用了UGNX11.0軟件的有限元分析模塊，進行上、下兩側施壓分析和頭部施壓分析。上、下側施壓，針對落水者對U型動力救生裝置的駕駛握持行為的受力狀況展開，如圖7（a）所示；手部與把手包裹結合部分布置500 N作用力，胳膊接觸面布置1 000 N作用力，如圖7（b）所示；靜力學有限元分析結果如圖7（c）所示。結果表明，該U型救生裝置表面的把手處產生了最大為0.004 94 mm的形變量，由此可知，因落水者駕駛而產生的受力形變將是非常小的，可忽略不計，進一步證明該U形動力救生裝置上、下側的強度和剛度設計合理安全。

圖7 靜力學有限元分析（150 kg分布式上、下側加壓）Fig.7 Static finite element analysis（150 kg distributed upper and lower side pressurization）

頭部施壓，如圖8（a）所示，可從縱向角度檢驗結構強度和剛度，在施加1 500 N的靜壓力后，得到如圖8（b）的有限元分析結果。圖8（b）顯示，在其頭部產生了最高為0.041 8 mm的形變量，主要承力部位在兩動力模塊的中間結合部，該形變量同樣非常小，可忽略不計，表明該U形動力救生裝置的縱向結構強度和剛度設計合理；從頭部受力形變的趨勢，可以看出把手部雖有變形，但仍有足夠空間保護手部的安全。

圖8 靜力學有限元分析（150 kg頭部加壓）Fig.8 Static finite element analysis（150 kg head pressurization）

3.3 碰撞安全性有限元分析

對于載人設備的結構強度和安全性的全面檢驗，往往會采用碰撞的方式，例如汽車的碰撞安全性測試等。本文基于ANSYS Workbench 2019 R3軟件，對該U型動力救生裝置做了碰撞動力學有限元分析實驗。該實驗分為2組，一組不包覆橡膠，如圖9（a）所示；另一組在U型動力救生裝置的頭部包覆減震材料10 mm的橡膠rubber2，如圖9（b）所示。設置2組U型動力救生裝置均以54 km／h（約為空載最高運動時速的3倍）的速度沖向鋁合金板材障礙物。由此可得，無橡膠和有橡膠的碰撞力學有限元分析結果分別如圖10、圖11所示。碰撞結果顯示，瞬時沖擊等效應力平均值達到了14.21 MPa，該值小于ABS工程塑料3D打印制品的壓縮強度28.4 MPa和拉伸強度27.1 MPa，屬于安全范圍；其沖擊能量達到46.86 J，包覆橡膠rubber2材料后，可有效吸收大約1／4的沖擊能量，在8 J以下的沖擊能量可被橡膠材料直接緩沖掉，U型動力救生裝置幾乎不會承受沖擊。此外，碰撞沖擊易引起U型動力救生裝置的震動，包覆橡膠組比未包覆橡膠組震動幅度減少19.8%，持續時間減少一半以上。

圖9 碰撞有限元分析網格劃分Fig.9 Meshing of collision finite element analysis

圖10 碰撞力學有限元分析（無橡膠）Fig.10 Finite element analysis of collision mechanics（without rubber）

圖11 碰撞力學有限元分析（含橡膠）Fig.11 Finite element analysis of collision mechanics（including rubber）

由此可見，橡膠材料可有效減緩碰撞對U型動力救生裝置的影響，利于提升裝置的穩定性和耐用性。為使救生裝置更加安全、可靠，故對U型動力救生裝置的頭部包覆10 mm厚的橡膠材料。

4 結束語

從CFD仿真優化結果來看，該U型動力裝置具備較好的流體外形，水阻力小，一定程度上抑制了水花上揚現象，具有強大的動力輸出，無空化現象，提升了該動力救生裝置的動力輸出效率；從靜力學有限元分析結果來看，其材料選擇及強度設計合理，仿真工況下有極小的形變量，從碰撞的有限元分析結果來看，頭部包覆減震橡膠墊，可有效提升裝置的防碰撞能力，具備較高的安全性。在UGNX11.0相應模塊的幫助下，對握持的舒適度進行了提升。綜上分析，可獲得各項參數均優異的U型動力救生裝置，如圖12所示，該U型動力救生裝置可實現更安全、更快速、更可靠地營救落水人員。不足之處在于選擇了ABS塑料3D打印加工整體結構，如換用高密度聚乙烯外殼輔以硬質聚氨酯無孔泡沫填充，可進一步提升U型動力救生裝置的承載能力。本文可為水上救援和公共安全領域的設備研發提供一定參考。

圖12 U型動力救生裝置優化設計結構外形圖與效果圖Fig.12 Outline drawing and effect drawing of U-shaped dynamic life-saving devices optimized design structure