一種封閉式流線型觀察級(jí)ROV設(shè)計(jì)

徐大勇，凌宏杰

(1. 海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍代室，江蘇 南京 210006；2. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

纜控?zé)o人潛航器（ROV）作為應(yīng)用最廣泛的潛航器，是近年來學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。它分為觀察級(jí)和作業(yè)級(jí)。觀察級(jí)ROV具有實(shí)用價(jià)值高、可靠性高、價(jià)位低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以代替潛水員進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境或深水域環(huán)境工作，完成對(duì)港口碼頭、海洋工程水下結(jié)構(gòu)、水庫(kù)大壩等的觀察監(jiān)視任務(wù)，在民用工程和軍事領(lǐng)域均展示了誘人的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)的水下機(jī)器人仍處在不斷探索和改進(jìn)的階段，不少學(xué)者總結(jié)現(xiàn)有先進(jìn)水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想，針對(duì)某一系統(tǒng)或模塊提出了改進(jìn)方案。國(guó)內(nèi)學(xué)者蔣新松、張銘均等[1–2]對(duì)ROV的設(shè)計(jì)、制造和性能計(jì)算進(jìn)行歸納整理，填補(bǔ)了我國(guó)在水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的空缺。蘇浩[3]分析了國(guó)內(nèi)外模塊化水下機(jī)器人的研究成果，總結(jié)它們的優(yōu)點(diǎn)和不足，對(duì)水下機(jī)器人的功能需求進(jìn)行分析和分解，利用設(shè)計(jì)矩陣建立水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的模塊化表達(dá)方式，最終確定了符合模塊化設(shè)計(jì)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(jí)水下機(jī)器人（ROV）的設(shè)計(jì)方案，通過水下攝像機(jī)和水下照明燈等探測(cè)設(shè)備，結(jié)合水下導(dǎo)航定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下復(fù)雜環(huán)境的觀察和定位。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)與性能指標(biāo)

ROV本體采用封閉式流線型設(shè)計(jì)，配備4臺(tái)軸流推進(jìn)器、1臺(tái)自動(dòng)對(duì)焦的半球云臺(tái)高清攝像機(jī)、2個(gè)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(yè)環(huán)境監(jiān)視、船體和螺旋槳檢查等各類水下觀察任務(wù)。具體技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表 1 ROV系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求Tab. 1 System technical requirements of ROV

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

整套R(shí)OV系統(tǒng)由水上控制系統(tǒng)、水下觀測(cè)系統(tǒng)組成。其中水上控制系統(tǒng)由電源箱和控制箱組成，其作用是為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力、對(duì)ROV運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)ROV下達(dá)操作指令。水下觀測(cè)系統(tǒng)用以ROV實(shí)現(xiàn)所需功能，主要由耐壓電子艙模塊、動(dòng)力推進(jìn)模塊和水下勘測(cè)模塊組成；其中耐壓電子艙模塊的作用是給ROV本體的各個(gè)模塊提供電力與傳輸控制信號(hào)、交換水上控制臺(tái)和ROV本體之間的電信號(hào)；動(dòng)力推進(jìn)模塊保證ROV可以依據(jù)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；水下勘測(cè)模塊可以對(duì)ROV工作區(qū)域進(jìn)行圖像、視頻采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿峡刂葡到y(tǒng)。

模塊化設(shè)計(jì)是未來水下機(jī)器人的發(fā)展方向之一，其可以較低成本使ROV系統(tǒng)高效率地適應(yīng)多樣化任務(wù)。ROV多數(shù)模塊是相互獨(dú)立工作，可以根據(jù)作業(yè)需求快速拆裝或更換模塊；若某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，并不影響其他部分的工作。此設(shè)計(jì)方法可以保證ROV具有良好的擴(kuò)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(shè)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(shè)計(jì)

為了保證ROV在水中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，應(yīng)建立總體坐標(biāo)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(xì)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(jì)算公式如下：

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

2 耐壓電子艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓柱形耐壓艙體耐壓性能良好，加工成本較低，方便布置內(nèi)部元件，從淺水到深水都可以使用。因其工作環(huán)境為水下，對(duì)耐腐蝕性要求高，綜合考慮各種材料的密度、強(qiáng)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(tái)攝像模塊采用一體化設(shè)計(jì)。耐壓電子艙包括單個(gè)圓柱形主艙體，一側(cè)采用端蓋密封；另一側(cè)直接連接云臺(tái)攝像模塊，采用透明亞克力半球罩進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。根據(jù)艙體內(nèi)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(tái)球罩-艙體，采用O型圈軸向密封方式進(jìn)行水密性處理。其中購(gòu)置的接插件自帶配套的密封圈，裝配時(shí)只需保證艙蓋表面光潔度即可。根據(jù)我國(guó)和國(guó)際通行的O型圈尺寸規(guī)范，考慮到最大工作壓強(qiáng)為3 MPa，最終選定的艙體-艙蓋和艙體-云臺(tái)球罩（兩者密封參數(shù)相同）O型圈參數(shù)如表5所示。

2.2 艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)如表6所示。

2.3 耐壓艙穩(wěn)性校核

耐壓艙體在水下承受外壓時(shí)，因載荷分布特殊，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)長(zhǎng)徑比，圓柱形薄壁艙體可分為長(zhǎng)圓筒、短圓筒和剛性圓筒。其中長(zhǎng)圓筒的破壞形式主要表現(xiàn)為失穩(wěn)，剛性筒則為強(qiáng)度破壞，短圓筒需根據(jù)實(shí)際情況確定。長(zhǎng)圓筒與短圓筒的臨界長(zhǎng)度通常用式（1）求得。

表 2 重、浮心明細(xì)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(zhǎng)度以式（2）求得。

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

表 5 最終選定O型圈參數(shù)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(shè)計(jì)耐壓艙長(zhǎng)度為390 mm，根據(jù)式（2）～式（3）可知屬于短圓筒，因此不能忽略邊界條件對(duì)臨界壓力的影響。短圓筒失穩(wěn)的波形數(shù)n＞2，可采用Laime簡(jiǎn)化公式計(jì)算其臨界壓力。

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

計(jì)算得到臨界壓力PK=11.601 MPa，大于實(shí)際工況下的外壓3 MPa，因此耐壓電子艙穩(wěn)性符合要求。

2.4 耐壓艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值仿真

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

計(jì)算結(jié)果表明，3 MPa壓強(qiáng)下耐壓艙的最大應(yīng)力為178.47 MPa，發(fā)生于艙蓋中心；艙體艙蓋交界處的應(yīng)力次之，分布較集中。對(duì)亞克力球罩部分進(jìn)行單獨(dú)分析，計(jì)算結(jié)果表明，3 MPa壓強(qiáng)下的最大應(yīng)力為37.45 MPa，集中分布于球罩與法蘭相接的內(nèi)弧邊處。應(yīng)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(shù)達(dá)到1.3，對(duì)應(yīng)亞克力材料（丙烯酸）安全系數(shù)也可以達(dá)到1.2，且實(shí)際情況下，艙蓋的開孔內(nèi)會(huì)放置剛度較高的不銹鋼水密接插件，可進(jìn)一步提高整體強(qiáng)度。此耐壓艙可滿足在水下300 m的工作要求。

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

圖 4 云臺(tái)球罩應(yīng)力分布圖Fig. 4 Stress distribution map of cloud billiard cover

3 外殼與框架設(shè)計(jì)

3.1 材料選取

研發(fā)的觀察級(jí)ROV采用透水式流線型設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的基本思路是在普通框架式ROV外部增加一個(gè)非水密的流線型外殼，可以有效降低ROV直航時(shí)的阻力，以提高推進(jìn)效率和快速性能?？紤]到流線型結(jié)構(gòu)外殼曲面復(fù)雜，傳統(tǒng)工藝加工成本高且難度大，因此決定采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)，可以做噴漆、絲印、電鍍等后處理加工。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外殼中部為圓柱，兩側(cè)的流線基于經(jīng)過改良的美國(guó)NACA翼型，阻力性能較好。整體外殼上下表面和側(cè)面有若干透水圓孔，在保證對(duì)動(dòng)力性能影響較小的情況下供流體自由進(jìn)出。外殼上部開提手槽用于安裝提手，并有相應(yīng)遮擋蓋板，以防異物進(jìn)入。外殼上同時(shí)為4枚推進(jìn)器、電子耐壓艙和2個(gè)水下照明燈預(yù)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(chǎng)、遮擋線纜；整流罩上呈圓周分布的4片穩(wěn)定翼可減小橫搖幅度。

因外殼為大面積薄板結(jié)構(gòu)，平均厚度3 mm，抗彎強(qiáng)度較差，不可將配件直接固定于外殼上。因此本ROV另設(shè)計(jì)一套高強(qiáng)度內(nèi)部框架，耐壓電子艙、推進(jìn)器、水下燈以及整體外殼將直接安裝于作為基礎(chǔ)的框架上。外殼與框架的整體如圖5和圖6所示。

圖 5 ROV結(jié)構(gòu)外殼結(jié)構(gòu)Fig. 5 Shell structure of ROV

3.3 框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

表7給出了計(jì)算對(duì)象的外形尺寸和重量等基本參數(shù)。采用通用的右手坐標(biāo)系，即長(zhǎng)度為X方向，寬度為Y方向，高度為Z方向；規(guī)定沿坐標(biāo)軸正向觀察時(shí)，力矩順時(shí)針方向?yàn)檎ㄏ峦?，如圖7所示。

圖 6 ROV內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)Fig. 6 Internal frame structuew of ROV

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

圖 7 簡(jiǎn)化框架模型與坐標(biāo)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(shù)如表8所示。

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

針對(duì)實(shí)體有限元計(jì)算問題，應(yīng)全部采用體積網(wǎng)格。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)，決定將全局網(wǎng)格尺寸設(shè)定為5 mm，在尺寸較小的槽和孔處進(jìn)行局部加密。最終節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為13萬，單元總數(shù)為7.8萬。如圖8所示，所有工況采用相同的網(wǎng)格劃分方案。

3.4 工況 1-靜置

圖 8 框架網(wǎng)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(shí)模擬ROV框架水平靜置于地面的情形。在2個(gè)鋁合金抱箍底面設(shè)置剛性固定約束。根據(jù)配件的實(shí)際安裝位置，在框架各個(gè)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(jì)算結(jié)果表明，工況1下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)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(yù)緊力所致。ABS部分的最大應(yīng)力為2.133 MPa。工況1下整體最大合位移為0.387 mm，發(fā)生于尾推進(jìn)器安裝板的末端。因尾推安裝板較長(zhǎng)所致。應(yīng)力分布和集中位置如圖9和圖10所示。

圖 9 工況1應(yīng)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(shí)進(jìn)行全速下潛和全速直航運(yùn)動(dòng)。本次計(jì)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(fù)方向的虛擬載荷，載荷數(shù)值與推進(jìn)器提供的最大推力相等，以模擬ROV本體在水中同時(shí)勻速直航和勻速下沉的情形?？紤]到動(dòng)載荷往往大于靜載荷，故根據(jù)配件的實(shí)際安裝位置，推進(jìn)器的推力方向和臍帶纜的拉力方向，在框架各個(gè)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(yīng)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(jì)算結(jié)果表明，工況5下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為16 MPa，分布于鋁合金抱箍的折角處。ABS部分的最大應(yīng)力為2.67 MPa。工況5下整體最大合位移為0.64 mm，發(fā)生于鋁合金抱箍的下端。應(yīng)力云圖和應(yīng)力集中如圖11和圖12所示。

圖 11 工況5應(yīng)力分布Fig. 11 Working condition 5 stress distribution

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

4 結(jié) 語(yǔ)

圖 12 工況5應(yīng)力集中位置Fig. 12 Working condition 5 stress concentration position

ROV的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，本文闡述一種小型封閉式流線型觀察級(jí)水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。通過水下攝像機(jī)和水下照明燈等探測(cè)設(shè)備，結(jié)合水下導(dǎo)航定位技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)水下復(fù)雜環(huán)境的觀察和定位，同時(shí)也可以通過搭載聲吶等設(shè)備完成地形勘探、水下結(jié)構(gòu)物探傷等功能。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外ROV設(shè)計(jì)方面相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，擬定了設(shè)計(jì)對(duì)象性能指標(biāo)，基于模塊化設(shè)計(jì)思想將其劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)和功能模塊，并逐一制定了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方案；在ROV本體詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定了每個(gè)模塊零部件的材料選擇、結(jié)構(gòu)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(xué)方法校核了ROV本體在水下的靜穩(wěn)性能；通過有限元方法校核了關(guān)鍵部件在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)對(duì)象的靜穩(wěn)性能符合規(guī)范，框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用需求，耐壓艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文采用的設(shè)計(jì)方法邏輯性較高，為后續(xù)開展水下機(jī)器人設(shè)計(jì)工作提供了詳細(xì)的思路。