0 引　言

近年来，随着海洋工程和石油开发需求的不断增长，以及军事、海洋科考等领域的需要，作为海洋开发重要工具之一的水下无人航行器得到了快速发展。自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）作为水下无人航行器的一种，具有活动范围不受限、运动灵活、隐蔽性好等优点，受到世界各国的重视^{[1 − 9]}。

载体结构为AUV的重要组成部分，是AUV功能实现的基础。随着搭载设备功能的不断提高，AUV的实际和潜在应用价值进一步表现出来，水下作业任务呈多样化、复杂化的趋势，可执行多种任务的AUV将是一个重要发展方向，这就要求AUV需根据不同的任务需求灵活配置功能模块。

模块化的载体结构是实现功能模块灵活搭载的基础之一，从结构形式上看，AUV载体结构可分为浮筒式和框架式两大类。浮筒式载体结构主要由多个浮筒组成，设备全部安装在浮筒内部，由浮筒为AUV提供浮力，孟令帅、彭阿静、金碧霞、宋保维等^[10-13]采用浮筒式载体结构作为AUV的结构基础。该种结构由多个密封舱体组成，设备安装维护及接线不便。同时，由于AUV上搭载较多的声学设备，其发射面要求无遮挡，该种结构如在舱体上开孔对其结构强度和密封性不利。框架式载体结构由框架组成，设备通过安装支架搭载在框架上，由浮力材料或耐压结构提供浮力，由轻外壳提供流体线形，牛江龙等^[14]采用框架式载体结构作为AUV的结构基础。采用该种结构形式的AUV多是根据单一任务需求开展设计建造，通常需要为AUV定制一套载体结构，这使得载体结构互换性相对较低，无法灵活配置功能模块，不利于AUV的功能多样性，限制了AUV执行不同任务的能力。

本文针对上述问题，提出一种AUV模块化载体结构，该结构可根据执行任务的不同，快速重组、灵活配置功能模块，有效提高AUV的功能多样性，提升AUV执行不同任务的能力，实现一机多用。

1 模块化载体结构设计

本文基于模块化思想提出一种AUV载体结构，该结构由基础载体结构和扩展模块载体结构组成。其中，基础载体结构包括首部模块载体结构、能源模块载体结构和尾部模块载体结构，各模块载体结构采用统一的机械接口，如图1所示。

首部模块载体结构如图2所示，包括首部模块端部法兰、首部模块支撑杆和角形连接件，各部件通过螺栓连接。其中，首部模块支撑杆在AUV载体结构径向采用X型布置，各支撑杆受力相同，有利于支撑杆规格的一致性。首部模块端部法兰与首部模块支撑杆前端通过角形连接件螺栓连接。模块连接法兰与首部模块支撑杆后端通过角形连接件螺栓连接。

能源模块载体结构如图3所示，包括耐压舱体、端部密封盖板、连接法兰、连接抱箍、导轨，各部件通过螺栓连接。其中，端部密封盖板在耐压舱体两端各设一个，端部密封盖板与耐压舱体之间设置有径向密封圈和端面密封圈，端部密封盖板设有不同规格的开孔，用于安装电气插座。导轨包括底层导轨和中间层导轨2种形式可选，可根据电池的安装形式进行选择，耐压舱体内肋骨设有通孔，用于导轨的安装固定。在耐压舱体两端各设一个连接法兰，用于能源模块载体结构与其他模块载体结构的连接。连接抱箍在耐压舱体两端各设一个，由上、下两部分组成，上抱箍设有起吊环。连接抱箍将耐压舱体和连接法兰连接成一个整体。

尾部模块载体结构如图4所示，包括尾部模块端部法兰、模块连接法兰、尾部模块支撑杆和角形连接件，各部件通过螺栓连接。其中，尾部模块支撑杆在AUV载体结构径向采用X型布置，各支撑杆受力相同，有利于支撑杆规格的一致性。尾部模块端部法兰与首部模块支撑杆前端通过角形连接件螺栓连接。模块连接法兰与尾部模块支撑杆前端通过角形连接件螺栓连接。

扩展模块载体结构如图5所示，包括连接法兰、扩展结构支撑杆和角形连接件，各部件通过螺栓连接。其中，扩展结构支撑杆在AUV载体结构径向采用X型布置，各支撑杆受力相同，有利于支撑杆规格的一致性。连接法兰与扩展结构支撑杆一端通过角形连接件螺栓连接。扩展结构支撑杆另一端与其它模块载体结构的连接法兰连接，构成一个整体。

采用上述设计方法进行AUV载体结构的设计时，可基础载体结构为基础，根据AUV的作业需求，灵活增加若干扩展模块载体结构，以满足AUV的作业要求。该结构具有以下优点：

1）功能扩展灵活。各个模块径向尺寸一致，模块连接结构形式相同，可根据需求在轴向任意增加或减少功能扩展模块，通过合理的模块组合，可有效提高AUV的功能多样性和执行不同任务的能力实现一机多用。

2）模组性能好。各个模块机械接口一致，同时，各个模块设有单独的接线罐，各个接线罐的出缆采用统一规格，实现电气接口统一化，在增加或减少模块时，只需脱开相邻模块之间的机械连接件和电气插头，不需要按照一定顺序拆卸其它模块，也不需要更换或增设电气插座，使得模块的增减简单方便，快速灵活。

3）结构简单，拆装维护方便。整体结构简单，除能源模块载体结构外，其他模块结构形式相同，均由杆件、法兰和角形连接件组成，可由型材简单加工而成。同时，和全密封舱结构形式相比，本结构只需拆除相应模块的轻外壳，即可对其内部设备进行拆装和维护，操作简单、快速。

4）机动性能强。由于本结构具有统一的机械接口和电气接口，使得AUV可方便的拆分成多个模块，降低了对运输空间的要求，机动性能强，可实现海陆空运输，快速反应，快速部署，快速投入使用。

2 设计验证

以某300 m级探测型AUV为例，验证本文提出的模块化载体结构的可行性和有效性。

2.1 基本参数

AUV的基本参数如下：

1）最大工作深度：300 m；

2）主尺度：2.95 m×0.53 m×0.53 m；

3）空气中重量：308 kg。

2.2 总布置设计

AUV主体采用水滴形艇型，包括首部舱段、载荷舱段、能源舱段和尾部舱段。首部舱段布置多波束前视声呐、水下摄像机、水下LED灯、惯导等传感器；载荷舱段布置侧扫声呐、水声通信换能器及电子舱、侧向推进器、垂向推进器等设备；能源舱段布置电池组、电池管理模块和控制单元等；尾部舱段布置主推进器、侧向推进器、垂向推进器、GPS、应急抛载装置、稳定翼等。总布置结果如图6所示。

2.3 载体结构设计

根据总布置设计结果，采用本文提出的模块化载体结构设计方法，对该AUV的载体结构进行设计。在基础载体结构的基础上，增加一个扩展模块结构，如图7所示。

2.3.1 材料与评定准则

载体结构材料选用6061-T6，根据《材料与焊接规范》^[15]，材料性能如表1所示。

载体结构的应力计算结果和极限承载应力按《潜水系统与潜水器入级规范》^[16]附录B表B9.1(2)进行评定。

2.3.2 有限元计算分析

采用有限元计算对载体结构的强度进行分析。在计算中，根据位置和与框架连接方式，设备重量采用参考点施加质量的方式施加在载体结构上，参考点连接到载体结构上，采用二阶实体单元C3D10进行计算，载体结构强度计算结果如图8所示。

可知，最大相当应力为11.91 MPa，低于许用应力的1.1倍，即176 MPa，载体结构强度满足要求。

同时，对载体结构的吊点强度进行有限元计算分析。在计算中，设备重量采用体积力的方式施加在载体结构上，采用二阶实体单元C3D10进行模拟计算，吊点强度计算结果如图9所示。

可知，最大相当应力为14.26 MPa，低于许用应力的1.1倍，即176 MPa，吊点结构强度满足要求。

2.4 水池试验

根据2.3节的设计结果，完成载体结构加工，实物如图10所示，并以此为基础，完成AUV的装配。

AUV搭载本文提出的载体结构在中国船舶科学研究中心露天水池完成了布放回收测试、水面航行测试、水下航行测试、水下探测作业等试验内容。试验期间，载体结构运行情况良好，验证了本文提出的载体结构可行性和有效性。

3 结　语

本文从AUV功能多样性的角度出发，提出一种模块化载体结构，以某300 m级探测型AUV为例对本文提出的模块化载体结构设计进行了验证。水池试验结果表明，本文提出的模块化载体结构运行情况良好，保证了AUV各项功能的实现，可为水下无人航行器的工程设计提供参考。