載人潛水器艇型及框架結構研究

陳 科 ，馮 亮 ，張 楊 ，王 賀 ，劉 峰

0 引言

艇型設計是載人潛水器設計中的重要內容之一，其目標是在滿足總體布置的前提下，力求獲得最佳的水動力外形，以提高載人潛水器的總體性能。載人潛水器的艇型最終通過輕外殼進行體現，輕外殼本身的承載有限，需要框架結構為其提供支撐。另外，框架結構還是載人潛水器的主要承載部位，是眾多設備的安裝基礎，其重量在載人潛水器總重量中占有很大比例?？梢?，在載人潛水器艇型設計中，不僅要獲得滿足要求的外形，還需要對于其框架結構進行分析。

為獲得較好的水動力外形，需要針對載人潛水器的水動力性能展開研究。試驗測試是最有效準確的獲取方法，圍繞其所開展的相關研究與應用歷來受到高度重視。Goodman等[1]研制的世界上第一臺平面運動機構，可以較為準確地測得大部分水動力；陳厚泰等[2]提出了基于 PMM 機構的潛艇水動力測定推算方法；樓連根等[3]應用大振幅平面運動機構（PMM）研究了某潛水器的水動力；李佳等[4]針對載人潛水器的阻力試驗設計加工了一套拖帶裝置，試驗結果驗證了設備的可用性；李剛[5]利用循環水槽和 PMM，對某載人潛器進行了水動力試驗，總結了附體位置時與水動力導數之間的關系。

在得到了滿足要求的艇型的基礎上，需要進一步開展框架結構的研究，框架結構的設計包括結構形式的確定、材料的選擇和強度分析等。劉濤[6]對于框架結構設計的關鍵因素進行了分析和總結，為潛水器的框架結構設計提供了參考。胡勇等[7]針對大深度載人潛水器框架結構試驗進行了研究，所得到的結論為載人潛水器框架結構的設計提供了參考。葉彬等[8]對于載人框架結構設計的因素進行了分析，提出了框架結構設計的思路，進行了基于三種優化算法的框架結構設計的優化求解，得到了相應的優化結果。

本文首先進行了載人潛水器的艇型及框架結構設計，采用試驗的方式獲取了典型工況的水動力，確定了框架結構分析的關鍵要素，利用ANSYS進行了框架結構強度校核，隨后針對艇型及框架結構設計提出了建議。

1 載人潛水器艇型設計

1.1 主體艇型設計

目標載人潛水器潛深1 500 m，載員3人，耐壓殼為球形，主要功能為水下考察、作業等。艇型的設計首先參考潛深、功能相近的載人潛水器，圖1給出了兩型可參考的載人潛水器。

參考典型潛水器艇型，并結合目標潛水器的任務使命和技術要求，艇型采用回轉體，三維模型見圖2。具體為：6#～8#肋位為平行中體，圓弧半徑1 350 mm，從5#肋位處圓弧半徑開始減小直至0#肋位處的半徑175 mm；頂部從4#+100肋位開始設計成甲板平臺，為工作人員在潛水器布放回收時停留掛鉤提供便利，載人艙口伸出甲板方便艇員進出；底部從4#+100至8#-100肋位為平面，兩側設有滑道；艏部為了使觀察窗具有足夠的視野范圍，8#-100肋位自基線開始垂直向上延伸至1025WL，與艏部上方的斜面通過一段半徑750 mm的圓角面連接。

圖1 參考艇型

圖2 主體艇型三維模型

1.2 框架結構設計

框架結構的設計需要在經濟性、重量和結構強度等諸多方面進行平衡，需要重點考慮材料的選擇?？晒┻x擇的框架材料有鈦合金、高強度鋼、鋁合金等。相比高強度鋼和鋁合金，鈦合金具有強度高、防腐特性好、韌性及機械性能較好等優勢，目前載人潛水器框架結構的應用越來越多。目標載人潛水器選用ΠT-3B鈦合金作為框架結構的材料。

主骨架采用縱骨架式立體骨架與橫框架相結合的形式，以利于保證載人潛水器的總縱彎曲強度。主骨架沿潛水器長度方向延伸，上龍骨和下龍骨上下對應。橫框架間距的確定根據總布置的要求充分考慮了設備和浮力塊的安裝拆卸與維護空間。起吊框架位于靠近潛水器質量分布中心的主骨架中部，是整個潛水器的傳力集中區。采用單點起吊的方式，起吊框架由工字型材和板材組成。利用縱向連續的框架結構，加上止蕩輔助吊點以防止單點起吊時艏、艉部位框架產生過大垂向位移，框架結構的三維模型見圖3。

圖3 框架結構三維模型

2 載人潛水器水動力性能試驗

載人潛水器在水中進行空間運動時具有六個自由度，在這六個自由度中，直航和升沉所占的比例最高。為此，在載人潛水器總體設計階段，需要對于所設計艇型的直航阻力和潛浮水動力做出準確分析。而直航和升沉相比，直航運動所占又大于升沉運動，因此，直航是載人潛水器最為重要的運動，在載人潛水器能量消耗中占有重要的比例，總體設計階段需要完成直航有效功率的計算，以為推進系統的設計與選型及艇型的改進提供參考。本文以載人潛水器縮比模型為試驗對象，通過模型的直航和潛浮試驗得到相應的水動力。試驗模型見圖4。

圖4 試驗模型

2.1 試驗模型

試驗模型上安裝有推進器、機械手、應急救生浮標等附體，長1.40 m，寬0.54 m，高0.54 m，空氣中質量39.1 kg，重心縱向距尾部距離744 mm，重心垂向高度距基線34.65 mm，空氣中轉動慣量Ix=1.85 kg·m2，Iy=5.279 kg·m2，Iz=5.52 kg·m2。

2.2 直航阻力試驗

直航阻力試驗利用循環水槽和平面運動機構進行。循環水槽主尺度17.3 m×6.0 m×2.88 m，工作段7.0 m×1.7 m×1.5 m，最大流速2.0 m/s，常用流速0.2 m/s～1.6 m/s；平面運動機構最大振幅40 mm，振蕩周期1 s～5 s，振蕩頻率0.2 Hz～1 Hz，圓頻率1.256 Hz～6.28 Hz，兩桿跨距400 mm。

前進阻力測試時，將試驗模型固定在循環水槽中，模型的安裝方向為艏部迎流，且處于正浮狀態，設定不同的來流速度并測得相應的阻力Fx。在進行后退阻力測試時，將模型尾部迎流安裝，測試原理及其余設定方式與前進阻力測試相同。

圖5中，阻力和速度的正負代表方向，對于阻力和速度進行擬合并進行阻力系數的無因次化處理，得到擬合線和相應的水動力導數。

圖5 直航阻力測試

前進曲線擬合函數和阻力系數為

后退曲線擬合函數和阻力系數為

2.3 定常潛浮試驗

由于模型中縱剖面面積較大，若在循環水槽進行試驗將存在明顯的阻塞效應。因此，定常潛浮試驗采用拖車拖航的方式進行。將模型的中縱剖面與拖車前進方向垂直，安裝于綜合試驗水池的拖車上，通過六分力水密天平測量模型拖航時六自由度力（矩）。試驗結果見圖6。

圖6 潛浮阻力測試

同樣對于圖6的數據進行處理。

上浮曲線擬合函數和阻力系數為

下潛曲線擬合函數和阻力系數為

2.4 實艇直航有效功率

在不同設計階段進行實艇有效功率計算的目的不同，在初始設階段由于艇型的設計、附體的布局尚未最終確定，或方案并未細化，此時進行的有效功率只是為推進系統的設計提供參考，在艇型設計完成后，為準確對于推進系統設計的合理性進行進一步評估，就需要借助于水動力試驗測試所得到的結果進行計算。

式中，Rt為總阻力；Rf為摩擦阻力；Rr為剩余阻力；Δ為排水量；ρ為密度，下標s代表實際潛器，下標m代表模型；Cf為摩擦阻力系數；Re為雷諾數。Cfs、Cfm、Rfs、Rfm分別通過式(6)求得。

式中，Re為雷諾數，通過式(7)求得。

式中，ν為水粘性系數；V為航行速度；L為特征長度。

摩擦阻力Rf通過式(8)求得。

式中，S為濕表面積，模型試驗環境與實艇航行環境相關參數見表1。

表1 模型與實艇環境水溫、密度及粘性系數

潛水器在水下航行時要受到阻力tR，因此必須給潛水器提供同樣大小的推力來維持運動，有效推力Te在單位時間內所作的功為有效功率。則有效馬力計算公式為

式中，Te為有效推力，N；EHP為有效馬力，馬力。

則得到載人潛水器的有效功率曲線見圖7。

圖7 直航有效功率曲線

目標載人潛水器巡航速度為2.5 kn，最大航速為3.8 kn，巡航速度下的有效馬力為51.6馬力，最大航行速度下的有效馬力為193.2馬力。

3 框架結構強度分析

3.1 計算工況的確定

載人潛水器主要有母船系固、單點布放、水下作業、單點回收四種典型工況。對上述典型工況都進行分析不僅耗時很大，而且也沒有必要，最終選取單點回收進行強度校核[2]。

計算框架結構的強度和剛度時，以潛水器在空氣中的重量作為基本載荷，考慮到作業過程中的意外超載和潛水器在穿越空氣—水界面的特殊工況以及母船在4級、5級海況下的運動加速度影響動載系數φn通過式(10)求得[8]。

式中，?w為工作工況下的波浪系數，在5級海況下，?w=21.7；K為起重系統剛度；QL為起升載荷，取將上述值代入式(10)，得?n=2.07。

參考其他載人潛水器，確定本文的安全系數取為3。則許用應力[σ]通過式(11)得到。

式中，材料屈服強度σs=600 Mpa；安全系數n=3。

3.2 強度分析

應用ANSYS軟件對框架結構建立有限元計算模型，并進行單點布放工況下的強度校核。

3.3 有限元模型的建立

模型坐標系見圖 8。坐標系采用直角坐標系，坐標系原點在載人潛水器的0#肋位尾封板圓心處，X軸沿寬方向，以左舷為正；Y軸沿高度方向，向頂部為正；Z軸沿船長方向，向艏部為正。

圖8 模型坐標系

單元類型。壓載水艙壁、橫艙壁、6#肋位上肋骨以及整船下龍骨采用板殼單元，其余均采用梁單元，載人艙以及主蓄電池采用質點單元。

網格劃分。對于板殼單元的劃分，除6#肋位上肋骨腹板采用三角形單元外，其余均采用四邊形單元，網格大小為100 mm，對于梁單元縱向龍骨單元長度為100 mm，各肋位肋骨單元長度為50 mm。

圖9 整體網格劃分

邊界條件的處理。在單點回收工況下，起吊點自由支持，約束吊架的位移UX、UY、UZ。

載荷的施加方法。小設備的重力以集中力形式施加到1個或幾個節點上，較大的設備則施加到相應的多個節點上。載人艙和主蓄電池使用多點約束創建剛性體與支架相應節點連接。施加的集中力均為設備實際重量的2倍。表2給出了主要設備重量及加載位置。

表2 主要設備重量及加載位置列表

圖10給出了模型邊界條件的設置和加載。

對于框架結構進行強度分析，得到的計算結果見圖11。

圖10 模型邊界條件及加載

圖11 框架結構設計方案分析結果（I）

通過計算和分析，框架結構重1.68 t；最大變形發生在艏部，為8.62 mm；最大應力值在吊點附近，為143.081 MPa，與許用應力200 MPa相比仍有很大裕度，吊點附近應力值均大于120 MPa。除吊裝部分之外，其他部位應力值相對較小，進一步將框架結構各節點應力結果進行整理，得到應力值分布情況見圖12。圖12中，大部分節點應力大部分處于20 MPa以下，應力大于70 MPa的僅占1.77%。

圖11 框架結構設計方案分析結果（II）

圖12 應力值分布圖

4 結論

完成了艇型和框架結構的設計，對于艇型水動力和框架結構進行研究。得出結論如下：

1）造成前進阻力大于后退阻力、上浮阻力大于下潛阻力的主要原因在于艇型的設計，特別是艏部需要考慮耐壓殼體和為觀察窗留出觀察空間、艇體上方的甲板等，下一步應在考慮載人潛水器使用功能的基礎上，對于艇型進行局部優化和處理。

2）框架結構的設計偏于保守，且大部分應力處于20 MPa以下，與許用應力相比仍有很大裕度。應該進行框架結構的優化，以達到降低框架結構整體重量的目標。

[1]GOODMAN A, GERTLER M.Planar Motion Mechanism and System: 3052120[P].1962-9-4.

[2]陳厚泰, 徐玉如, 黃錫榮.關于潛艇六自由度運動的流體動力系數測定與推算[J].船工學報, 1980: 44-46.

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[5]李剛.穿梭潛器水動力特性的數值模擬和試驗研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2011.

[6]劉濤.大深度潛水器結構分析與設計研究[D].無錫:中國船舶科學研究中心, 2001.

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