一種封閉式流線型觀察級ROV設計

徐大勇，凌宏杰

(1. 海軍駐南京地區航天機電系統軍代室，江蘇 南京 210006；2. 江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

纜控無人潛航器（ROV）作為應用最廣泛的潛航器，是近年來學術研究的熱點之一。它分為觀察級和作業級。觀察級ROV具有實用價值高、可靠性高、價位低廉等優點，可以代替潛水員進入危險環境或深水域環境工作，完成對港口碼頭、海洋工程水下結構、水庫大壩等的觀察監視任務，在民用工程和軍事領域均展示了誘人的應用前景。

目前國內的水下機器人仍處在不斷探索和改進的階段，不少學者總結現有先進水下機器人的設計思想，針對某一系統或模塊提出了改進方案。國內學者蔣新松、張銘均等[1–2]對ROV的設計、制造和性能計算進行歸納整理，填補了我國在水下機器人技術領域的空缺。蘇浩[3]分析了國內外模塊化水下機器人的研究成果，總結它們的優點和不足，對水下機器人的功能需求進行分析和分解，利用設計矩陣建立水下機器人設計的模塊化表達方式，最終確定了符合模塊化設計原則的單元模塊劃分方案。

本文提出一種小型封閉式流線型觀察級水下機器人（ROV）的設計方案，通過水下攝像機和水下照明燈等探測設備，結合水下導航定位技術，實現水下復雜環境的觀察和定位。

1 總體方案設計

1.1 主要技術與性能指標

ROV本體采用封閉式流線型設計，配備4臺軸流推進器、1臺自動對焦的半球云臺高清攝像機、2個大功率水下照明燈。可替代潛水員開展水下地形地貌觀察、水中作業環境監視、船體和螺旋槳檢查等各類水下觀察任務。具體技術指標要求如表1所示。

表 1 ROV系統技術指標要求Tab. 1 System technical requirements of ROV

1.2 系統組成及工作原理

整套ROV系統由水上控制系統、水下觀測系統組成。其中水上控制系統由電源箱和控制箱組成，其作用是為整個系統提供動力、對ROV運行情況進行實時監控和對ROV下達操作指令。水下觀測系統用以ROV實現所需功能，主要由耐壓電子艙模塊、動力推進模塊和水下勘測模塊組成；其中耐壓電子艙模塊的作用是給ROV本體的各個模塊提供電力與傳輸控制信號、交換水上控制臺和ROV本體之間的電信號；動力推進模塊保證ROV可以依據控制信號實現相應的運動；水下勘測模塊可以對ROV工作區域進行圖像、視頻采集并實時傳輸到水上控制系統。

模塊化設計是未來水下機器人的發展方向之一，其可以較低成本使ROV系統高效率地適應多樣化任務。ROV多數模塊是相互獨立工作，可以根據作業需求快速拆裝或更換模塊；若某個模塊出現故障，并不影響其他部分的工作。此設計方法可以保證ROV具有良好的擴展性和可靠性，使其滿足多種多樣的工作需求。最終ROV本體的三維模型（為便于演示，耐壓艙體設置為透明色）如圖1所示。

圖 1 ROV本體三維視圖Fig. 1 3D view of ROV

1.3 總體平衡設計

為了保證ROV在水中運動的平穩性，應建立總體坐標系，得出潛航體的重心和浮心。所有零部件的重量、浮力和重心浮心明細情況如表2所示。最終重心及浮心位置分布如表3所示。ROV的浮心重心計算公式如下：

式中：Fi為各設備的浮力；Mi為各設備的質量；Xi，Yi，Zi為設備浮心（重心）在總體坐標系的坐標；F為ROV的總浮力；M 為ROV的總質量。

2 耐壓電子艙結構設計

2.1 艙體結構設計

圓柱形耐壓艙體耐壓性能良好，加工成本較低，方便布置內部元件，從淺水到深水都可以使用。因其工作環境為水下，對耐腐蝕性要求高，綜合考慮各種材料的密度、強度、加工成本等屬性，決定采用6061-t4鋁合金作為耐壓艙體的制造材料。

如圖2所示耐壓電子艙模塊與云臺攝像模塊采用一體化設計。耐壓電子艙包括單個圓柱形主艙體，一側采用端蓋密封；另一側直接連接云臺攝像模塊，采用透明亞克力半球罩進行密封設計。根據艙體內部電氣元件的大小和布置決定耐壓艙的整體尺寸，如表4所示。

電子耐壓艙的密封部位為艙蓋-艙體、穿艙件-艙蓋以及云臺球罩-艙體，采用O型圈軸向密封方式進行水密性處理。其中購置的接插件自帶配套的密封圈，裝配時只需保證艙蓋表面光潔度即可。根據我國和國際通行的O型圈尺寸規范，考慮到最大工作壓強為3 MPa，最終選定的艙體-艙蓋和艙體-云臺球罩（兩者密封參數相同）O型圈參數如表5所示。

2.2 艙體結構強度校核

耐壓艙艙體與艙蓋采用6061-t4鋁合金，透明半球罩采用亞克力材料（丙烯酸），艙體、艙蓋和球罩使用不銹鋼公制M3螺絲連接。材料的參數如表6所示。

2.3 耐壓艙穩性校核

耐壓艙體在水下承受外壓時，因載荷分布特殊，容易出現失穩現象。根據長徑比，圓柱形薄壁艙體可分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒。其中長圓筒的破壞形式主要表現為失穩，剛性筒則為強度破壞，短圓筒需根據實際情況確定。長圓筒與短圓筒的臨界長度通常用式（1）求得。

表 2 重、浮心明細表Tab. 2 Floating heart schedule

表 3 重力浮力配平Tab. 3 Gravity floatage balance

圖 2 耐壓電子艙裝配示意圖Fig. 2 Pressure-resistant electronic cabin assembly schematic

短圓筒與剛性筒的臨界長度以式（2）求得。

表 4 耐壓艙體基本參數Tab. 4 Basic parameters of pressure tank body

表 5 最終選定O型圈參數Tab. 5 Final selection of O-ring parameters

式中：D為圓筒平均直徑；S為壁厚；E為材料彈性模量； σS為屈服極限。

本文所設計耐壓艙長度為390 mm，根據式（2）～式（3）可知屬于短圓筒，因此不能忽略邊界條件對臨界壓力的影響。短圓筒失穩的波形數n＞2，可采用Laime簡化公式計算其臨界壓力。

表 6 耐壓艙材料參數Tab. 6 Material parameters of pressure tank

計算得到臨界壓力PK=11.601 MPa，大于實際工況下的外壓3 MPa，因此耐壓電子艙穩性符合要求。

2.4 耐壓艙結構強度數值仿真

在SolidWorks中建立艙體的實體模型，建立好模型后，進入Simulation模塊，生成算例，采用直接離散法（Direct Sparse）求解器進行求解，得到應力分布云圖，并給出最大應力的分布區域。

計算結果表明，3 MPa壓強下耐壓艙的最大應力為178.47 MPa，發生于艙蓋中心；艙體艙蓋交界處的應力次之，分布較集中。對亞克力球罩部分進行單獨分析，計算結果表明，3 MPa壓強下的最大應力為37.45 MPa，集中分布于球罩與法蘭相接的內弧邊處。應力云圖如圖3和圖4所示。

該工況下的鋁合金材料安全系數達到1.3，對應亞克力材料（丙烯酸）安全系數也可以達到1.2，且實際情況下，艙蓋的開孔內會放置剛度較高的不銹鋼水密接插件，可進一步提高整體強度。此耐壓艙可滿足在水下300 m的工作要求。

圖 3 耐壓艙應力分布圖Fig. 3 Stress distribution map of pressure tank

圖 4 云臺球罩應力分布圖Fig. 4 Stress distribution map of cloud billiard cover

3 外殼與框架設計

3.1 材料選取

研發的觀察級ROV采用透水式流線型設計。該設計的基本思路是在普通框架式ROV外部增加一個非水密的流線型外殼，可以有效降低ROV直航時的阻力，以提高推進效率和快速性能。考慮到流線型結構外殼曲面復雜，傳統工藝加工成本高且難度大，因此決定采用3D打印技術進行加工。在保證結構強度的前提下，為了盡可能降低重量，且考慮到深水工況下的耐腐蝕要求，決定采用可進行3D打印加工的DSM-8000 ABS工程塑料制造本體框架和外殼。該材料具有精度高、硬度好、抗變形、表面光滑等特點，可以做噴漆、絲印、電鍍等后處理加工。

3.2 結構設計

外殼中部為圓柱，兩側的流線基于經過改良的美國NACA翼型，阻力性能較好。整體外殼上下表面和側面有若干透水圓孔，在保證對動力性能影響較小的情況下供流體自由進出。外殼上部開提手槽用于安裝提手，并有相應遮擋蓋板，以防異物進入。外殼上同時為4枚推進器、電子耐壓艙和2個水下照明燈預留了安裝位置。尾部安裝了一只可快速拆卸的整流罩，用于改善尾流場、遮擋線纜；整流罩上呈圓周分布的4片穩定翼可減小橫搖幅度。

因外殼為大面積薄板結構，平均厚度3 mm，抗彎強度較差，不可將配件直接固定于外殼上。因此本ROV另設計一套高強度內部框架，耐壓電子艙、推進器、水下燈以及整體外殼將直接安裝于作為基礎的框架上。外殼與框架的整體如圖5和圖6所示。

圖 5 ROV結構外殼結構Fig. 5 Shell structure of ROV

3.3 框架結構強度校核

表7給出了計算對象的外形尺寸和重量等基本參數。采用通用的右手坐標系，即長度為X方向，寬度為Y方向，高度為Z方向；規定沿坐標軸正向觀察時，力矩順時針方向為正（下同），如圖7所示。

圖 6 ROV內部框架結構Fig. 6 Internal frame structuew of ROV

表 7 框架基本參數Tab. 7 Frame basic parameters

圖 7 簡化框架模型與坐標系Fig. 7 Simplified framework model and coordinate system

框架材料采用DSM-8000 ABS工程塑料和6061-t4鋁合金。2種材料的參數如表8所示。

表 8 框架材料參數Tab. 8 Frame material parameters

針對實體有限元計算問題，應全部采用體積網格。綜合考慮計算精度和計算耗時，決定將全局網格尺寸設定為5 mm，在尺寸較小的槽和孔處進行局部加密。最終節點總數約為13萬，單元總數為7.8萬。如圖8所示，所有工況采用相同的網格劃分方案。

3.4 工況 1-靜置

圖 8 框架網格分布示意圖Fig. 8 Frame mesh distribution diagram

工況1為陸上水平靜置。為了真實模擬ROV框架水平靜置于地面的情形。在2個鋁合金抱箍底面設置剛性固定約束。根據配件的實際安裝位置，在框架各個面上分別施加靜力載荷，約束和載荷的分布狀況如表9所示。

表 9 工況1-靜置載荷分布狀況Tab. 9 Working condition 1 - static load distribution

計算結果表明，工況1下結構的最大應力為8.532 MPa，分布于鋁合金抱箍的折角處。這是抱箍與耐壓艙間的預緊力所致。ABS部分的最大應力為2.133 MPa。工況1下整體最大合位移為0.387 mm，發生于尾推進器安裝板的末端。因尾推安裝板較長所致。應力分布和集中位置如圖9和圖10所示。

圖 9 工況1應力分布Fig. 9 Working condition 1 stress distribution

3.5 工況 2-直航且下潛

工況2為ROV在水中同時進行全速下潛和全速直航運動。本次計算采用彈簧法和慣性卸除法取代了剛性固定約束，在框架與外殼的連接螺孔處施加了沿X負方向的虛擬載荷，載荷數值與推進器提供的最大推力相等，以模擬ROV本體在水中同時勻速直航和勻速下沉的情形。考慮到動載荷往往大于靜載荷，故根據配件的實際安裝位置，推進器的推力方向和臍帶纜的拉力方向，在框架各個面上分別施加2倍的靜載荷，載荷的分布狀況如表10所示。

圖 10 工況1應力集中位置Fig. 10 Working condition 1 stress concentration

表 10 工況2-直航和下潛載荷分布狀況Tab. 10 Working condition 2 - distribution of direct flight and dive load

計算結果表明，工況5下結構的最大應力為16 MPa，分布于鋁合金抱箍的折角處。ABS部分的最大應力為2.67 MPa。工況5下整體最大合位移為0.64 mm，發生于鋁合金抱箍的下端。應力云圖和應力集中如圖11和圖12所示。

圖 11 工況5應力分布Fig. 11 Working condition 5 stress distribution

Simulation軟件的有限元仿真計算結果表明，該框架的鋁合金部分在所有工況下的最大應力為16 MPa，安全系數達到17.2；ABS工程塑料部分在所有工況下的最大應力約為2.67 MPa，安全系數達到14.5。因此該框架可滿足使用要求。

4 結 語

圖 12 工況5應力集中位置Fig. 12 Working condition 5 stress concentration position

ROV的設計是一個復雜的過程，本文闡述一種小型封閉式流線型觀察級水下機器人的設計方案。通過水下攝像機和水下照明燈等探測設備，結合水下導航定位技術，它實現水下復雜環境的觀察和定位，同時也可以通過搭載聲吶等設備完成地形勘探、水下結構物探傷等功能。

本文在對國內外ROV設計方面相關文獻進行充分調研的基礎上，擬定了設計對象性能指標，基于模塊化設計思想將其劃分為若干個子系統和功能模塊，并逐一制定了系統功能實現方案；在ROV本體詳細結構設計中確定了每個模塊零部件的材料選擇、結構形式和裝配方式，基于三維建模軟件SolidWorks完成了ROV外殼框架、耐壓電子艙等部件的三維建模和虛擬裝配；基于靜力學方法校核了ROV本體在水下的靜穩性能；通過有限元方法校核了關鍵部件在不同工況下的結構強度。結果表明：該設計對象的靜穩性能符合規范，框架結構強度滿足使用需求，耐壓艙結構強度也達到設計要求。本文采用的設計方法邏輯性較高，為后續開展水下機器人設計工作提供了詳細的思路。