0 引　言

随着对海洋资源的不断探索与开发，遥控水下机器人（ROV）在其中起着举足轻重的作用。ROV 主要应用于海洋地质和生物考察、海底光缆和管道的辅助铺设、深海救助和打捞、水下结构物的监测和海洋石油等领域^{[1 − 2]}。目前，应用在海洋石油领域的主要是国外ROV占主导^[3]。ROV的框架结构设计关系着整机能否稳定可靠的运行。框架结构是用于安装其他设备的基础，包括电子舱、电源分配舱、推进器及作业工具等设备，同时它也是ROV吊装、布放回收和系固状态的主要承力结构。王光越^[4]对ROV的框架结构进行了有限元分析，得出框架结构的等效应力与位移云图，但并未对框架结构进行优化分析；张康等^[5]基于有限元分析，通过计算ROV海上作业阶段与运输存储阶段的工况载荷，比较3种不同ROV框架结构的强度，但并未考虑水中航行时框架的受力情况；陈鑫等^[6]对比不同ROV框架外形的水动力分析结果，得出ROV框架的最优外形方案，但并未考虑岸上布放以及与船体系固时框架的受力情况。

鉴于以上问题，设计了一款300 m轻型作业级ROV，综合考虑其岸上布放时以及水下航行时框架结构的受力情况，并利用优化设计模块对关键结构进行多目标优化设计^[7],减轻了整机质量，降低制造成本，提高整机可靠性。

1 ROV框架结构设计方案 1.1 设计参数要求

根据ROV的使用工况，其性能设计参数如表1所示。在满足设计参数条件的情况下，为保证设备的安全性及降低制造成本，整体骨架结构采用6061-T6铝合金方管焊接而成，壁厚5 mm，负载通过铝合金板固定，厚度8 mm，推进器支撑结构由厚度为6 mm的316L不锈钢板焊接件而成，吊装结构采用5 mm的316L不锈钢板与壁厚5 mm的空心316L不锈钢管焊接而成。

1.2 模型建立

ROV整体结构由框架结构、浮力材料以及各种其他机电设备（如电子舱、配电舱、推进器、声学设备及机械臂等）组成。考虑到推进器的布局、设备安装拆卸便利等因素，提出了ROV框架结构的设计方案，ROV整机及框架结构如图1所示。为了减轻ROV整体的质量，框架结构采用6061-T6铝合金焊接，局部采用316L不锈钢进行加强，整个框架结构分为2层，每层外围由4条方铝焊接而成，上层中间正交布置4条方铝，下层中间正交布置1条方铝与3条T字铝型材，上下层铝架结构通过在高度方向布置15条方铝固定和提供支撑。推进器支撑结构由316L焊接件与6061-T6铝合金件所组成，与整体框架结构通过螺栓固定。吊装结构采用316L不锈钢材料制成，与整体框架结构采用螺栓固定的方式连接。整个框架结构的尺寸为1.32 m×0.95 m×0.74 m（长×宽×高）。

1.3 载荷工况分析

根据ROV不同的工况，考虑其承受的载荷：

1）海上作业阶段。ROV框架要能够满足在4级海况下正常单点布放与回收，此时ROV框架结构主要承受自身及设备重力，同时受到风浪的作用力。

2）水下航行阶段。ROV框架主要承受来自水流和推进器的作用载荷，在不同航速，不同运动姿态下受到不同的作用力，需考虑最大航速下的受力情况。

3）运输存储阶段。ROV框架与船体甲板系固连接随母船摇荡，此时主要承受来自船体的运动载荷。

对于第1种工况，将ROV自重作为基本载荷，由于吊放时受到的风载荷、波浪载荷等不确定性外载荷，因此引入动载系数，在基本载荷的基础上乘以动载系数，将其作为设计载荷；对于第2种工况，考虑到最高航速运行时，框架所受推进器瞬时推力的影响，因此通过计算水下航行时所受阻力，选取合适推进器以及布局方式，将其作为推进器支撑结构的设计载荷；对于第3种工况，此时的载荷依然是自身重力，但由于船体运动效应，考虑在自重的基础上通过在3个运动方向上施加不同的加速度作为设计载荷。

2 有限元强度校核 2.1 模型及材料参数

ROV框架结构主要由6061-T6方铝与316L不锈钢钣金件组成，整个模型采用实体单元格来划分网格。其中6061-T6铝合金的弹性模量为69 GPa，泊松比为0.32，屈服强度为240 MPa；316L不锈钢的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为260 MPa。

2.2 载荷分析

针对第1种工况，ROV海上作业阶段，在自身重力载荷上乘以动载系数，同时为了模拟起吊过程，施加2 g的加速度，其中动载系数可以参考国内外潜水器规范和现有潜水器载体框架动载系数与安全系数的选取^[8]，设定动载系数$ \phi _{n} = 2 $，安全系数$n = 2 $。对于质量较大的外部载荷部分采用施加虚拟质量点的方式，该方式较施加等效集中力具有明显优势。工况1的集中质量加载如图2所示。

针对第2种工况，水下航行阶段，通过CFD软件计算3个运动方向的阻力值，得到推进器的选型以及布局方式。ROV三个运动方向阻力如表2所示。根据航行阻力值选用Whale2525型号推进器，其正向推力25 kg，反向推力25 kg。ROV安装8台推进器，4台垂直推进器按90°布置，4台水平推进器按与竖直夹角按30°布置，推进器布局如图3所示。最后还需考虑浮力材料及负载去掉浮力后对于框架结构的作用力。

针对第3种工况，ROV系固在船体甲板上的情况，对框架施加垂向为0.6 g，纵向为0.2 g，横向为0.5 g的加速度载荷^[8]。

2.3 强度校核准则

由第四强度理论^[9]，ROV框架结构的最大Mises等效应力不应超过材料的许用应力$ \left[ \sigma \right] $，即公式：

$ {\sigma _{{\mathrm{Mises}}}} \leqslant \left[ \sigma \right] = \frac{{{\sigma _s}}}{n} 。$

(1)

其中：$ {\sigma _{{s}}} $为材料屈服强度；n为安全系数，根据上节所述，n=2，因此铝合金框架的许用应力为120 MPa，吊装结构以及推进器支撑件的许用应力为130 MPa。

2.4 仿真结果分析

首先根据不同工况下的ROV框架结构的受载荷情况，计算出3种工况下的ROV框架结构最大等效应力与最大位移。

针对第1种工况，ROV海上作业阶段，由仿真结果可以看出，ROV框架结构的最大应力出现在吊装结构与铝合金框架连接处，大小为89.5 MPa < 120 MPa，强度满足设计要求，最大位移发生在框架结构上层前横梁与安装机械臂负载的下层横梁位置处，其最大位移为2.4 mm，工况1的最大应力与位移云图如图4所示。

针对第2种工况，水下航行阶段，计算最大航速下，框架结构受到浮力材料浮力、水的阻力以及推进器支撑结构在推力作用下的最大应力与最大位移。将直航与下潜、平移与下潜归并为2种情况分析，即定深状态下的直航运动与定深状态下的平移运动。2种情况下推进器作用数量与推力大小如表3所示。由仿真结果可知，在直航运动下，最大应力与最大位移均发生在推进器支撑结构上，大小为57.1 MPa<130 MPa，强度满足设计要求，最大位移发生在下层框架处，最大位移为1.6 mm，最大应力与最大位移如图5所示。在平移运动下，最大应力与位移发生在与平移运动方向相反的一侧推进器支撑结构上，大小为49.7 MPa<130 MPa，强度满足设计要求，最大位移为1.3 mm，最大应力与最大位移如图6所示。

针对第3种工况，ROV系固在船体甲板上的情况，由仿真结果可知，框架结构的最大应力发生在推进器支撑结构处为29.9 MPa < 130 MPa，强度满足设计要求，最大位移发生在推进器支撑结构处为0.76 mm。最大应力与最大位移如图7 所示

由上述3种工况的分析，可以进一步对框架结构进行优化，在强度与刚度均满足要求的情况下使得整个ROV框架结构达到轻量化。

3 ROV框架结构的优化设计

由上节静力学分析结果，3种工况下的最大应力及最大位移值如表4所示，规定整个ROV框架结构的最大应力$ {\sigma _{{\text{max}}}} $＜$ \left[ \sigma \right] $，最大位移$ {\delta _{{\text{max}}}} \lt 3 \;{\text{mm}} $，ROV框架结构的整体初始质量为M=59.7 kg。根据表4三种工况下的最大应力与位移的值均在设计裕度范围内，因此需进一步对框架结构进行尺寸优化设计。其中，工况1的应力与位移情况均大于其余2种工况，因此针对工况1进行尺寸优化，再将优化后的结果代入其他2种工况进行校核计算。有限元分析软件用于优化的模块有直接优化法（direct optimization），6西格玛优化法（six sigma analysis）和响应曲面优化法（Response Surface）等5种，本节采用响应面优化模块，可以动态表示优化参数与优化目标的直接关系。

3.1 优化变量设计

优化的总原则是在保证ROV整体框架结构强度与刚度的前提下减少质量，因此选取各焊接框架方铝的厚度$ Alu\_i(i = 1,2 \cdot \cdot \cdot 15,16) $以及铝合金板厚度$ {{t}}_1、t_2 $作为设计变量，框架方铝截面尺寸以及铝合金板厚度如图8所示。

根据第1种工况ROV海上作业阶段实际模型确定多目标参数的变化范围，得到优化设计理论模型，如式(2)所示。根据优化参数，选择实验抽样类型最佳空间填充设计(Optimal Space-filling Design)生成若干数据样本的正交实验表，能以最少的点获得最大的洞察力，减少计算成本。

$ \left\{\begin{split}&\text{min}\left(\delta,M\right)=f\left(A\text{l}u_i,t_1,t_2\right)(i=1,2\cdot\cdot\cdot,15,16)，\\& 2.5 < Alu_i < 5.5，\\& 4 < t_1 < 8.5，\\& 4 < t_2 < 8.5，\\& \sigma_{\text{max}} < \left[\sigma\right]。\end{split}\right. $

(2)

3.2 响应面分析

针对18个优化变量，根据多目标优化遗传算法生成设计变量关于优化目标的3D响应面^[10]，图9(a)～图9(c)为铝合金板厚度作为变量与目标值的响应面。通过图9(d)的响应面拟合度曲线可知ROV总质量、最大变形和最大应力所对应的点均在对角线附近，这表明样本点及其响应面拟合值的一致性比较好，符合有限元计算结果，因此可以满足后续设计分析需求。

如图9(a)所示，ROV的总质量随着固定负载的铝合金板厚度减小而减少，当板厚均为4 mm时，质量最小，ROV总质量为206 kg，去除负载后框架质量为52.5 kg；如图9(b)所示，ROV框架的最大等效应力随着固定负载的铝合金板厚度减小而增大，当板厚为4 mm时，等效应力最大，为113 MPa；如图9(c)所示，ROV框架的最大位移随着固定负载的铝合金板厚度增大而减少，当板厚为8.5 mm时，最大位移量最小，为2.7 mm。

通过上述分析，可以看出固定负载的铝合金板厚度变化对于ROV框架位移变化影响较小，但对于ROV框架质量和最大等效应力影响较大。通过对各铝合金方管厚度与目标值的响应面分析，铝合金方管厚度值对最大等效应力影响较小，主要对ROV框架质量和最大位移影响较大。

3.3 优化结果校核

基于以上响应面分析结果，以最大位移量小于3 mm，质量（去除负载质量153.5 kg）最小为优化目标，通过MOGA(多目标遗传算法)^{[11 − 12]}获取3组最优设计变量（保留小数点后3位），如表5所示。

由表5可知3组最优设计变量相差不大，因此选取第1组的参数作为最优设计变量，将各参数（保留小数点后一位）分别代入工况2和工况3进行静力学校核，优化后的应力与位移如表6所示。由于框架结构的局部厚度降低的原因，其所受应力与位移相应增大，但均满足设计要求。

根据参数化设计以及优化分析结果，完成了ROV框架结构的加工及装配，经过测试，该主框架满足设计要求。

4 结　语

根据ROV的总体设计要求，设计了ROV主框架结构，建立框架结构的三维模型，利用CFD软件得到ROV的水下运行时的受载情况，然后通过有限元分析软件对3种不同工况进行强度分析，最后通过多目标优化算法对框架尺寸进行优化分析。结果表明：1）通过响应面优化，建立了各框架尺寸与优化目标之间的关系曲面，大大提高了优化效率。2）优化目标中权重较大的ROV框架结构的总质量相较于初始设计有了极大的改善，减少了14.6%。3）基于参数化的建模以及先进的优化算法，可以极大的缩短设计流程，降低制造成本，为前期设计提供可靠的指导作用。