基于聚四氟乙烯的水下航行器殼體優化設計

賴 慧，杜向黨，范英豪，王方超

(西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072)

基于聚四氟乙烯的水下航行器殼體優化設計

賴 慧，杜向黨，范英豪，王方超

(西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072)

本文根據某型特種ROV的浮力冗余要求，以ROV最大內部容積為目標函數，相關設計參數為設計變量，建立殼體優化設計模型。利用全局搜索求解器globalsearch和局部尋優求解器fm incon進行求解，優化后的殼體內部容積提高9.46%，相應質量減少為42.38%，滿足設計要求。

水下航行器；殼體；優化設計；強度；穩定性；聚四氟乙烯

0 引 言

有纜水下航行器（Remote Operated Vehicle，ROV）耐壓殼體材料大多采用鋁合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料，部分也使用玻璃纖維、碳纖維等非金屬材料[1]。基于烷基苯溶液的特殊工作環境要求，一款專用ROV的殼體必須使用非金屬材料——聚四氟乙烯。該ROV在工作時具有零浮力，任務結束或發生意外后，自身的安保系統必須產生足夠的正浮力，保證航行器能夠自動上浮。目前航行器各子系統配置完成后，其安保正浮力余量僅剩0.1 kg，不能滿足安保要求，需要對ROV殼體進行優化，在滿足外形尺寸限制的條件下，增大內部容積，減小殼體重量，增大安保系統的正浮力冗余。

1 水下航行器強度和穩定性模型

ROV運動環境在直徑36 m的盛滿烷基苯溶液的球形罐體內，要求ROV外形限制在直徑300 mm、高度500 mm的空間內，殼體使用非金屬材料——聚四氟乙烯。ROV殼體受到的靜態載荷主要有：液體的外壓；殼體內部安裝的推進裝置、電池、電路板、配重等載荷的不均勻分布，在各載荷面處浮力和重力的差值產生的剪切與彎矩；在空氣環境中吊裝或者懸掛時受到的剪切與彎矩。以上各種載荷中，最大載荷是最大深度時所受液體的外壓，因此本文中選取最深處環境液體壓力為載荷進行計算。

1.1 殼體強度計算模型

本文ROV殼體采用等間距矩形環肋加強圓柱殼體[2]，圓柱殼體受到均勻側向外壓和軸向壓力的聯合作用，產生對稱于軸線的變形，即在軸向（或縱向）產生均勻壓縮及由肋骨支撐而引起的彎曲，在周向僅產生均勻壓縮沒有變形。本文在計算強度時采用相關的經驗公式。

1）跨度終點處殼板的橫向平均應力：式中：pj為殼體計算壓力，M Pa；R為圓柱殼半徑；cm；t為殼板厚度，cm。

2）肋骨處板殼的縱向相當應力：

3）肋骨上的應力：

1.2 殼體穩定性計算模型

受外壓的殼體與受內壓的殼體不同，除了考慮強度之外，還要考慮其會由于喪失穩定性而導致殼體的破壞。承受均勻靜水外壓的加肋圓柱形的破壞防式一般可分為3種[3]：肋間殼體屈服、肋間殼板失穩、總體失穩。本文殼體穩定性從肋間殼板失穩和總體失穩的理論臨界壓力2個方面進行考慮。

1）肋間殼板穩定性

肋間殼板失穩時認為肋骨有足夠的剛性，肋骨并沒有失穩，殼體的理論臨界壓力可用式（4）計算：

2）總體穩定性

通過彈性失穩理論用能量法可以推導出殼體整個艙段的理論臨界壓力為：

理論臨界壓力與實際情況存在不同程度上的不同，理論值一般偏高，因此需要對理論值進行修正：，

2 參數優化設計

2.1 優化數學模型的建立

水下航行器殼體優化目的是在滿足結構和穩定性要求的前提下盡可能的增大殼體內部容積和減小殼體重量[4]，以提高航行器的綜合性能，本文ROV殼體優化主要是為了增大安保系統的浮力冗余。

1）設計變量

通過分析，殼板厚度、肋骨間距、肋骨截面參數和殼體外徑的變化是影響殼體應力和穩定性的重要因素。在此，確定殼體結構設計變量有5個，即：殼體外徑R、肋骨間距l、殼體厚度t和肋骨參數a，b，如圖1所示。

2）目標函數

本文以求得最大內部容積函數為目的，殼體內部容積的計算如下：

3）約束條件

殼體結構設計中，根據殼體強度及穩定性校核標準，殼體結構應力及穩定性必須滿足一定要求。

在計算外力Pj的作用下，肋骨中間板殼的橫向平均應力不得大于：

式（8）、式（10）、式（11）、式（12）和式（13）整理組成優化模型的非線性約束條件：

殼體結構設計中，根據加工與設計要求設計，為了使整體結構更為合理，對變量設定上下界，使優化結果出現在設定區間內。優化參數的上下界設定為：

由上面3式，可將航行器殼體優化模型歸納為：

2.2 優化求解

優化可以看作尋找函數最小值的過程，最小值又可以分成局域最小值和全域最小值點，優化模型為求解帶約束多變量非線性目標函數的最小值[5]。使用全局搜索（globalsearch）方法在可行域內尋求最優解，先由分散搜索算法在可行域產生試驗點測試集合，抽取部分試驗點并結合局部優化工具（fmincon）計算出局部最優解，直至所有試驗點被使用。最后將得到的所有局部最優解進行比較，得到可行域內的全局最優解。考慮到加工與加工誤差，將優化后的參數進行整理：將肋骨的寬b取整，肋骨采用矩形肋骨，取其長寬比為2。最終優化與整理結果見表1。

由表1可以得到優化后的參數值，與整理后的參數值，其中航行器在實際加工中應取整理后的值。

優化后體積變化：

優化后質量變化：

表1 優化前后設計變量與目標函數對比Tab. 1 Comparison of design variables and objective functions before and after optimization

經式（15）、式（16）和式（17）的計算，優化后殼體內部容積增加9.46%，質量減少4.323 9 kg，約為原質量的42.38%。由結果可得，此次優化主要體現在肋骨尺寸與殼體厚度的變化上，且在得到殼體最大內部容積的同時質量也相應地減小，解決了ROV上浮時正浮力不足的問題。

3 有限元分析

根據上面的計算結果，采用solid works軟件對ROV殼體進行三維建模，導入Ansys中，進行結構靜力學分析，得到殼體在載荷及約束條件下的應力結果；在靜力學分析的基礎上，進行BUCKING屈曲分析，得到殼體的臨界失穩載荷[6]。有限元分析過程中劃分的殼體單元數為92 923，節點數為30 406，模型約束為一端為固定約束，另一端只允許軸向移動[7]。根據ROV的工作環境，其最大工作深度為36 m，載荷的施加分為2部分，其一是外表面的壓力載荷，其值為0.36 MPa；其二是軸向載荷，其值要通過壓力轉換計算而來，通過計算發現，軸向載荷為2.66 MPa。

4 結 語

本文根據某型特種ROV的浮力冗余要求，以ROV殼體最大內部容積為目標函數，建立了殼體優化設計模型。，使用全局搜索（globalsearch）方法并結合局部優化工具（fmincon）對ROV殼體進行優化設計，完成了基于聚四氟乙烯(PTFE)材料的ROV圓柱殼體結構的優化設計，并將優化后的模型利用Ansys進行強度和穩定性分析。結果表明，優化后的殼體滿足強度、穩定性的要求, 優化后殼體內部容積增加9.46%，，質量減少4.3239 kg，約為原質量的42.38%，解決了ROV上浮時正浮力不足問題。

[1]張鐵棟. 潛水器設計原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2011: 80–92.

[2]呂春雷, 王曉天, 姚文. 多種型式肋骨加強的耐壓圓柱殼體結構穩定性研究[J]. 船舶力學, 2006. 10(5): 113–118.

[3]張宇文. 魚雷總體設計方法[M]. 西安: 西北工業大學出版社,1998: 123–130.

[4]胡培民, 石秀華, 余紹勇. 魚雷殼體的參數化設計[J]. 艦船科學技術, 1999(5): 26–28.

[5]付錦江, 顏昌翔, 劉偉. 橢圓弧柔性鉸鏈剛度簡化計算及優化設計[J]. 光學精密儀器, 2016. 24(7): 1703–1710.

[6]魯鵬, 耿文豹. 海洋探測型AUV殼體設計與強度校核[J]. 艦船科學技術, 2015. 37(5): 119–121.

[7]張宗堯, 趙石軍. 基于ANSYS的外壓容器穩定性分析[J]. 設計與計算, 2010(2): 21–23.

Underwater vehicle shell optimal design based on PTFE

LAI Hui, DU Xiang-dang, FAN Ying-hao, WANG Fang-chao
(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

According to the buoyancy redundancy requirements of a special ROV, the optimal design model of the shell is established by taking the maximum internal volume of ROV as the objective function and the relevant design parameters as the design variables. The global search solver globalsearch and the local optimization solver fmincon are used to solve the problem. The optimized internal volume of the shell is improved by 9.46%, and the corresponding mass is reduced by 42.38%, which meets the design requirements.

ROV；shell；optimal design；strength；stability；PTFE

TP273

A

1672–7649(2017)12–0040–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.009

2017–07–18

中國科學院戰略性先導科技專項(A類)資助項目(XDA10010800)

賴慧(1994–)，女，碩士研究生，研究方向為信息感知與識別技術。