0 引　言

水下遥控航行器（ROV）常见有回转体和非回转体2种外形结构形式，一般回转体航行器多侧重航速、航程等指标，非回转体航行器多运用在低速条件下，侧重操控性能。回转体航行器在减阻能力上更具优势，但是在可扩展性、低速操控性等方面劣势明显。非回转体ROV通常包括开架式和半封闭式结构外形2种，其中开架式外形拆装快捷、成本低、周期短，多见于小型、民用领域；半封闭式结构多采用流线型外形包裹内部框架支撑的形式，多见于大型潜航器的结构布局^[1]。

针对可以应用在内河8 kn水流流速下的ROV总体设计问题，不仅要满足低流体阻力要求，还需满足可扩展、模块化和拆装方便等需求。另外，还需考虑现有组件的尺寸、安装约束。在ROV研究领域，外形结构较为单一，多为框架式和方箱式，可借鉴的总体结构设计方案较少^[2]，而AUV领域研究较多。国内未见相关研究；国外，欧盟MARTIN-AUV采用长扁平型外形，包含前中后3段，中段、尾端各布置2个推进器，中前部设置水平稳定翼，整体呈流线型，外形曲面构造方法未见描述^[3]；美国NPS-AUV系列也采用长扁平型外形，与MARTIN相近，流体线性较为粗糙，尾部为直线型过渡收口^[4]。以上总体外形可供借鉴，但流线曲面的构造是本研究的难点。

本文通过比较几种总体结构设计方案在减阻能力、可扩展性、成本和加工周期等方面的优劣，选出最优方案，并通过冲击仿真验证结构设计的可行性，为高航速、低流阻、低成本、可扩展的非回转体水下航行器的总体结构设计提供思路、方案。

1 总体结构方案设计

针对非回转体的ROV总体结构设计问题，提出3种外形设计方案。设计方案本身应满足现有组件尺寸及安装需求。

1.1 方案1

方案1的布置为完全开架式框架结构，电池舱、中央集线器和推进器等组件固连到开放式框架上，浮体布置在框架顶部，水平面内布置4个矢量推进器，竖直面内布置2个矢量推进器。该布置方案的细节如图1所示。

1.2 方案2

根据经验，为了让ROV表现出更佳的流体性能，在方案1的基础上撤去最上层浮体，外加整形罩，罩内部增设附体材料，其结构细节如图2所示。

整形罩采用B样条曲面技术生成，整体外形能够包含方案1中的电池舱、中央集线器和主体框架结构。推进器的布置依旧采用水平面内4个矢量布置推进器和竖直面内2个矢量布置推进器。整流罩整体呈水滴形，流体线型没有成熟理论线型依据，需依靠经验及软件平台生成，最后依据B样条曲面生成技术连线成面构成整体的整形罩外形。

1.3 方案3

借鉴中大型深潜器的外形设计思路，摆脱方案1、方案2框架结构形式，内部采用可快速拼装的横骨架式框架结构，外部借鉴回转体的成熟流体线型构建整体线型框架，之后采用曲面生成技术连线成面。本方案取消了之前的水平面内4个矢量布置推进器，采用尾部2个大功率矢量推进器代替，竖直面内推进器保留，呈前后分布。方案3对应的结构设计细节如图3所示。

方案3借鉴了回转体成熟的线型，对线型的选用、主线框架的构建和样条曲面的生成作详细说明。首先，基于回转体线型生成方法构建机辅装备线型框架结构。常用的回转体线型设计方法有：半椭圆曲线、抛物线曲线、Nystrom曲线方程、格兰韦尔曲线方程等线型。考虑各曲线适用范围，并参考相关研究成果^[2-4]，最终采用阻力相对较小、调整灵活的Nystrom线型。

该线型将整个外形分成3个部分：首段、平行段和尾段。首段、尾段曲线方程为：

$ Y = \frac{{{D_0}}}{2}{\left[ {1 - {{\left( {\frac{{{X_E}}}{{{L_E}}}} \right)}^2}} \right]^{\frac{1}{{{n_e}}}}}, $

(1)

$ Y = \frac{{{D_0}}}{{\rm{2}}} - \left[ {1 - {{\left( {\frac{{{X_R}}}{{{L_R}}}} \right)}^{{n_r}}}} \right]\text{。} $

(2)

式中： ${D_0}$ 为最大横剖面直径； ${L_E}$ ， ${L_R}$ 为首端、尾端长度； ${n_e}$ ， ${n_r}$ 为首段椭圆指数和尾端抛物线指数； ${X_E}$ ， ${X_R}$ 为首端，尾端上点距横剖面最大直径处的距离。考虑航行器内部组件尺寸约束及减阻效果，对以上参数进行初步赋值。参数的变化是多样的，本文为初期方案确定，参数的确定暂不考虑优化问题。由曲线方程可确定航行体对称面线型，如图4所示。

为使构造线更加圆润，在竖直对称线左右两侧增加一对竖直构造线，构造方法与对称面线型相同，并对尾段尾部作圆角化处理。

由以上构造线型共同构成航行器整体外形结构线型构架。由贝塞尔（Bezier）样条曲面生成技术可得出外形构架曲面，从而得出外形结构布局，其中B样条曲面采用特征多边形及权函数定义曲线、曲面^[5]。

最终得出的外形结构由内部组件布局等其他因素影响，被切割成易于加工制造和组装的形状，以供航行器组装。

2 方案流体仿真筛选

通常ROV航速较难达到8 kn，在该条件下进行流体仿真分析，以确定3种方案的航行阻力大小，并对方案的可行性进行判定。对以上3种方案进行流体仿真计算，得出在8 kn流速下的航行阻力。

2.1 方案1流体仿真

ROV各个方位角为0，均匀来流 ${V_\infty } = 8\;{\rm{kn}}$ ，ROV最大尺度为 $L \approx 1\;{\rm m}$ ，水密度 $\rho = 997\;{\rm{kg}}/{{\rm m}^3}$ 。其 $Re$ 数大致为^[6]：

$ Re = \frac{{{V_\infty }L}}{\nu } \approx 4 \times {10^6}{\rm}\text{。} $

(3)

其中， $\nu $ 为运动粘度系数， ${\rm{{m^2}/s}}$ 。由于层流边界层厚度小于湍流边界层厚度，根据 $Re$ 数对湍流边界层的厚度进行估计，湍流边界层厚度为：

$ {\delta _{\max }}{\rm{ = }}0.37L Re^{ - 1{\rm{ /}}5} \approx 0.016\;{\rm{m}}\text{。} $

(4)

考虑到ROV自身结构，所有边界层的厚度取0.02 m，为满足y+尽量位于30～120范围内，由Re数估计得到第1层网格厚度应控制为0.0005 m附近，并且在边界层内分布10层网格，边界层内网格增长率为1.2872。采用RANS进行定常模拟，湍流模型选取能够对边界层不同y+都有很好适应性的SST k-ω模型^[7-9]。仿真得出其前进方向流阻约为4900 N。

2.2 方案2流体仿真

方案2与方案1模型尺寸大小相近，可以采用相同的参数设置。仿真得其前进方向流阻约为2500 N。

2.3 方案3流体仿真

机辅装备最大尺度为L=2.2 m，水密度 $\rho = 997\;{\rm{kg}}/{{\rm m}^3}$ 。其Re数约为：

$ \operatorname{Re} = \frac{{{V_\infty }L}}{\nu } \approx 9 \times {10^6}{\rm}\text{，} $

(5)

由于层流边界层厚度小于湍流边界层厚度，根据Re数对湍流边界层的厚度进行估计，湍流边界层厚度为：

$ {\delta _{\max }}{\rm{ = }}0.37L\operatorname{Re} _{}^{ - {1/5}} \approx 0.033\;{\rm{m}}\text{。} $

(6)

考虑到机辅装备自身结构，所有边界层的厚度取0.035 m，为满足y+尽量位于30～120范围内，由Re数估计得到第1层网格厚度应控制为0.000 35 m附近，并且在边界层内分布15层网格，边界层内网格增长率为1.239。得出的前进方向上的流体阻力约为450 N。

2.4 方案筛选

综合流体仿真分析结果及各方案的加工难度、成本等因素，对3种方案进行比较分析，结果如表1所示。

高航速带来的较大流阻给本航行器的设计造成较大困难，方案1、方案2中4个推进器的最大推力为80 kg，均无法达到航速指标要求；而方案3流阻最小，并且推进器总推力达到90 kg，具有一定富裕度，满足航速指标。在高航速的指标要求下，航行器外形趋向流线型设计。综合以上分析，选择流阻最小、其他方面适中的方案3作为最终方案。通过合理布置内部组件、浮体和配重，使其重浮心竖直方向重合且重心在下，以提高自身稳定性。此外，还需对该方案的框架结构进行设计。

3 框架结构设计 3.1 设计方案

采用2种较为常见的框架结构设计思路，一是采用多段实心铝合金结构拼装，二是采用标准铝型材快速拼装结构。方案1的详细结构见图10，多段框架采用螺栓连接，各框架结构采用一体式加工或多段焊接；方案2的详细结构见图11，多段型材之间的连接依靠标准角件和加强螺钉。

3.2 方案筛选

对于内部框架结构，主要关心可扩展性、拆装方便和成本。依据工程经验，对比2种框架设计方案的优劣，结果如表2所示。

综合比较，选择成本低、可扩展性能较好的方案2。之后需对方案2框架结构的抗冲击性能进行仿真验证。

3.3 冲击仿真

提取方案2中框架结构主体，其他组件以质量块的形式施加到框架主体上。水下航行器在出水、入水等环节面临较大冲击，依据经验取3倍加速度g作为冲击加速度峰值，对框架结构进行有限元仿真分析，其中 $g = 9.8\;{\rm m}/{{\rm s}^2}$ 。

材料设置为铝合金，杨氏模量 $E = 69\;{\rm{GPa}}$ ，密度为 $\rho = 2700\;{\rm{kg}}/{{\rm{m}}^3}$ ，泊松比 $\upsilon = 0.33$ 。上部吊环位置设置固定约束，对框架整体施加竖直方向的加速度冲击，其集中质量设置与施加载荷如图12所示。

最后得出框架结构最大应力发生在上部横梁处，最大应力为181.9 MPa，小于该型号360 MPa的许用应力，设计符合强度要求，其应力分布云图如图13所示。

4 结　语

依据满足8 kn航速的ROV设计指标，通过对3种流体外形设计方案进行流体阻力仿真、加工难度和扩拓展性等对比分析，确定方案中最佳的流体外形设计。优选的外形设计方案较以往开架式方案流阻大幅降低，降低约90%，所采用的流线型曲面构造方法能够较好适应非回转体航行器外形的设计。另外，对2种内部框架结构设计方案进行对比分析，对优选方案进行了冲击仿真的强度验证，设计可靠。

本文研究得出的适用于高航速的ROV减阻外形及内部框架结构总体设计方案能够较好实现低流阻、低成本和可扩展等指标要求，具有较高的工程应用价值。为满足工程需要，后续还需对航行器操控性能进行深入研究。