薛俠峰，嚴(yán)天宏

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

?

水下自航行器外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化

薛俠峰，嚴(yán)天宏

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

研究水下自航行器(AUV) 外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化的問(wèn)題，為使得AUV具有較小航行阻力的同時(shí)擁有較大承載能力，需要不斷進(jìn)行AUV模型重建以及水動(dòng)力結(jié)果分析，人工完成將會(huì)耗時(shí)很長(zhǎng)，Isight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)搭載常用的優(yōu)化算法—NSGA-II遺傳算法，整合Solidworks、Gambit、Fluent三大集成模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以進(jìn)行AUV外形的建模、仿真并完成設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化和智能的設(shè)計(jì)探索，確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)；仿真結(jié)果表明，最終優(yōu)化后的AUV不僅減小了航行阻力并且擁有更大的承載能力；因此采用多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight能夠有效提高AUV外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化的準(zhǔn)確性和效率，提升其整體水動(dòng)力性能。

水下自航行器；多學(xué)科優(yōu)化；外形；水動(dòng)力性能；優(yōu)化

0 引言

傳統(tǒng)水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)是一種串行設(shè)計(jì)，經(jīng)常憑借設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和才智，從已有的水下機(jī)器人類型中選取母型，確定其初步的主尺度和結(jié)構(gòu)形式，在之后的完善過(guò)程中不斷地人工修改優(yōu)化，直到設(shè)計(jì)出一臺(tái)滿足任務(wù)要求的、主尺度和排水量達(dá)到最佳的水下機(jī)器人。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需要在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行大量的反復(fù)性修改，導(dǎo)致周期過(guò)長(zhǎng)、耗資巨大的缺點(diǎn)[1-2]。

隨著學(xué)科理論知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代優(yōu)化方法的發(fā)展，水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)了綜合運(yùn)用建模軟件、計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件、優(yōu)化軟件的新特點(diǎn)。隨著多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化方法(Multi-objective /Multidisciplinary Design Optimization，MDO)在眾多領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，水下自航行器工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域也將會(huì)越來(lái)越重視這種有效的優(yōu)化方法，期望采用多學(xué)科、多目標(biāo)綜合設(shè)計(jì)模式來(lái)提升水下自航行器的總體設(shè)計(jì)水平，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其水動(dòng)力性能的提高[2-3]。

起源于GE的Isight是功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化(Computer Aided Optimization，CAO)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、電子領(lǐng)域的零部件、子系統(tǒng)優(yōu)化，以及復(fù)雜產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于復(fù)雜的仿真流程，用戶可以通過(guò)Isight集成和管理，并且通過(guò)多種優(yōu)化算法可以探索得到優(yōu)化方案，從而降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研制周期[4-6]。

本文采用Isight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)搭載常用的優(yōu)化算法—NSGA-II遺傳算法[7-9]，整合Solidworks、Gambit、Fluent進(jìn)行AUV外形的建模、仿真并完成設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化和智能的設(shè)計(jì)探索，確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)[10]。多學(xué)科目標(biāo)優(yōu)化方法比傳統(tǒng)的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)方法能夠更有效提高AUV外形結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能優(yōu)化的準(zhǔn)確性和效率[11]。

1 AUV外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化原理論述

1.1 外形結(jié)構(gòu)

AUV主體首端修正為偏心率e為3的半橢圓體，尾端為偏心率e為3.5的半橢圓體，中間部分為直徑0.15 m的圓柱體。如圖1所示。

Myring[12]流線型回轉(zhuǎn)體首端曲線外形方程為：

(1)

式中，r(x)為首端各點(diǎn)處半徑，x為軸向位置，d為最大橫剖面直徑，a為首端長(zhǎng)度，n為頭部形狀指數(shù)。尾部曲線外形方程[13]為：

(2)

式中，r(x)為尾部各點(diǎn)處半徑，x為軸向位置，d為最大橫剖面直徑，a為首端長(zhǎng)度，b為中段長(zhǎng)度，c為尾部長(zhǎng)度，θ為最大尾包角，取40°。

水下自航行器外形初步設(shè)定為，全長(zhǎng)1.48 m，首端長(zhǎng)0.155 m，尾部長(zhǎng)0.245 m。

圖1 AUV外形結(jié)構(gòu)

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)公式

目標(biāo)變量的輸出參數(shù)根據(jù)設(shè)置的權(quán)重和比例因子進(jìn)行加權(quán)求和，在優(yōu)化的過(guò)程中需要取其最小值，其規(guī)律為：目標(biāo)設(shè)置趨勢(shì)為最小化的將直接加權(quán)求和，目標(biāo)設(shè)置趨勢(shì)為最大化的將用值的相反數(shù)來(lái)加權(quán)求和。

考慮到AUV的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，將其阻力系數(shù)Cd與最大排水量V相組合，獲得目標(biāo)函數(shù)。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)公式如下所示：

目標(biāo)函數(shù)：

Minimize:

(3)

其中:

X1=MinimizeCd; X2=MaximizeV

SF1=100; SF2=1; W1=0.6; W2=-0.4

設(shè)計(jì)變量：

約束條件：

1.3m≤L≤1.6m; d=0.15m; r=0.015m

利用Fluent的后處理功能可以計(jì)算出主體受到的阻力，無(wú)量綱化得到阻力系數(shù)。阻力系數(shù)和升力系數(shù)的計(jì)算公式分別為：

(4)

其中:ρ為水的密度；v為入流速度；Sd為主體的迎流截面面積或表面面積(選用不同面積時(shí)，阻力系數(shù)不同，這里選迎流截面面積計(jì)算)；D為阻力。

2 基于Isight的AUV外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 Isight整體優(yōu)化流程

采用Isight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)搭載優(yōu)化算法—NSGA-II遺傳算法，整合Solidworks、Gambit、Fluent三大集成模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以進(jìn)行水下自航行器外形的建模、仿真，實(shí)現(xiàn)水下自航行器外形優(yōu)化方法設(shè)計(jì)過(guò)程的高效自動(dòng)化，確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 AUV幾何外形

2.2 參數(shù)化建模

AUV模型參數(shù)化是對(duì)AUV的幾何外形采用一系列的參數(shù)進(jìn)行表示，AUV的外形設(shè)計(jì)可以通過(guò)改變這些控制參數(shù)來(lái)不斷修正AUV新得到的外形。本文將采用Solidworks來(lái)完成AUV參數(shù)化模型的構(gòu)造。

AUV外形如圖2所示，其中AUV全長(zhǎng)L=1.48 m，最大直徑d=0.15 m，頭部長(zhǎng)度a=0.155 m，中段長(zhǎng)度b=1.08 m，尾部長(zhǎng)度c=0.245 m，尾部切面半徑r=0.015 m，整個(gè)AUV為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

AUV的半橢圓回轉(zhuǎn)體線型的頭部長(zhǎng)度a、中段長(zhǎng)度b和拋物線回轉(zhuǎn)體線型的尾部c為設(shè)計(jì)變量，AUV全長(zhǎng)L、最大直徑d和尾部切面半徑r為約束條件。這些被定義為設(shè)計(jì)變量的AUV尺寸參數(shù)都被寫入VBS腳本文件中，由腳本文件和自動(dòng)啟動(dòng)Solidworks的批處理文件GoSolidworks直接驅(qū)動(dòng)Solidworks建模程序來(lái)完成AUV參數(shù)化模型的構(gòu)造并自動(dòng)保存一個(gè)可用于網(wǎng)格劃分的AUV.STEP文件。

2.3 網(wǎng)格劃分模塊

首先，創(chuàng)建自動(dòng)啟動(dòng)Gambit的批處理文件GoGambit實(shí)現(xiàn)Gambit執(zhí)行的命令流文件mesh.jou的讀取；mesh.jou命令流文件自動(dòng)執(zhí)行對(duì)AUV.STEP文件的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定；最后Gambit將會(huì)自動(dòng)導(dǎo)出一個(gè)可用于水動(dòng)力計(jì)算的AUV.msh文件。

2.4 CFD計(jì)算模塊

首先，創(chuàng)建自動(dòng)啟動(dòng)Fluent的批處理文件GoFluent實(shí)現(xiàn)Fluent執(zhí)行的命令流文件solve.jou的讀??；solve.jou命令流文件自動(dòng)執(zhí)行AUV.msh文件的求解器、湍流模型、初始條件以及流體特性等計(jì)算設(shè)置的自動(dòng)設(shè)定；最后Fluent將會(huì)自動(dòng)編輯一個(gè)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果文件output.dat。

3 AUV外形及水動(dòng)力性能優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算后，小型AUV的優(yōu)化外形結(jié)果，如圖3所示。經(jīng)Isight優(yōu)化后AUV外形最優(yōu)解的詳細(xì)報(bào)告，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后AUV外形

半橢球體尾部長(zhǎng)度c優(yōu)化過(guò)程中的迭代收斂情況，如圖4所示。

圖4 AUV尾部外形優(yōu)化迭代過(guò)程 圖5 Cd與a、c的三維散點(diǎn)圖

圖5和圖6分別是頭部長(zhǎng)度a、尾部長(zhǎng)度c與優(yōu)化目標(biāo)阻力系數(shù)Cd和排水量V之間的散點(diǎn)分布關(guān)系。

圖6 V與a、c的三維散點(diǎn)圖 圖7 Cd與V之間的關(guān)系圖

通過(guò)圖7可以看出，子目標(biāo)函數(shù)排水量V和阻力系數(shù)Cd基本成拋物線關(guān)系。優(yōu)化的目標(biāo)是盡量降低AUV的航行阻力，同時(shí)保證一定的排水量，這兩者是相互矛盾的，所以最優(yōu)解的獲得主要取決于加權(quán)系數(shù)Wi的設(shè)定，可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)來(lái)最終設(shè)定影響因子。

3.2 優(yōu)化前后AUV外形及水動(dòng)力性能分析對(duì)比

優(yōu)化前后AUV外形參數(shù)對(duì)比，如表1所示。

表1 AUV優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)照表

優(yōu)化后AUV外形減少了尾部漩渦的產(chǎn)生，使分離點(diǎn)靠近AUV尾部，尾跡區(qū)域減小，從而減小了壓差阻力，進(jìn)而降低了AUV的整體阻力，使AUV的水動(dòng)力性能得到了顯著的提高。

圖8是優(yōu)化前后AUV在0°攻角、不同航速下的阻力曲線對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比圖可知，優(yōu)化后AUV整體水動(dòng)力性能得到了明顯提升。

圖8 AUV優(yōu)化前后阻力曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Isight，采用NSGA-II遺傳算法對(duì)AUV外形及水動(dòng)力性能進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的AUV外形航行阻力明顯減小的同時(shí)搭載能力還有所增強(qiáng)，并且其速度矢量分布、壓力云分布等水動(dòng)力性能指標(biāo)都有所改善。

1)介紹了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論，并對(duì)AUV外形結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能優(yōu)化原理進(jìn)行論述。

2)介紹了Isight集成各模塊的過(guò)程，并對(duì)各模塊的使用作了詳細(xì)闡述。研究表明，基于Isight的多目標(biāo)遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能很好的適用于水下自航行器外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為研究水下自航行器最優(yōu)外形提供了一種高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。

3)將優(yōu)化后的AUV與原型機(jī)進(jìn)行外形及水動(dòng)力性能分析對(duì)比，結(jié)果優(yōu)化后的AUV外形航行阻力明顯減小，并且其速度矢量分布、壓力云分布等水動(dòng)力性能指標(biāo)都有所改善。

[1] Wang P, Song B W, Wang Y H, et al. Application of concurrent subspace design to shape design of autonomous underwater vehicle[A]. In: Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing SNPD 2007. Eighth ACIS International Conference on[C]. 2007. 1068-1071.

[2] 孟凡豪. 50 kg級(jí)水下自航行器整體水動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院, 2014.

[3] 王 鑫. 小型自治水下機(jī)器人外形優(yōu)化設(shè)計(jì)及水動(dòng)力特性數(shù)值模擬[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué), 2012.

[4] 賴宇陽(yáng). Isight參數(shù)優(yōu)化理論與實(shí)例詳解[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2012.

[5] 任 利. 基于iSIGHT的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島：山東科技大學(xué), 2006.

[6] 黃海燕, 林志祥, 王德禹. 船艉結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 船舶力學(xué), 2011, 15(11):1270-1277.

[7] Hassan R A, Crossley W A. Multi-objective optimization of communication satellites with two-branch tournament genetic algorithm[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2003, 40(2):266-272.[8] Mosher T J. Improving spacecraft design using a multidisciplinary design optimization methodology[D].PhD thesis, Department of Aerospace Engineering Science, The University of Colorado, 2000.

[9]Deb K, Pratap A, Agarwal S, et al. A fast and elitist multi-objective genetic algorithm: NSGA-II[J]. Evolutionary Computation, IEEE Transactions on, 2002, 6(2): 182-197.

[10] Song B W, Zhu Q F, Liu Z Y. Research on multi-objective optimization design of the UUV shape based on numerical simulation[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2010, 6145: 628-635.

[11] Brandon Morton, Terence Soule, Anthony Kanago, et al. Ordering Autonomous underwater vehicle inspection locations with a genetic algorithm [A]. In: OCEANS 2010[C]. USA: Seattle, 2010,1-6.

[12] Myring D F. A theoretical study of body drag in subcritical axisymmetric flow[J]. Aeronautical quarterly, 1976(8): 186-194.

[13] Joung T, Sammut K, He F, et al. A study on the design optimization of an AUV by using computational fluid dynamic analysis[A]. In: the Nineteenth (2009) International Offshore and Polar Engineering Conference[C]. Japan: ISOPE, 2009. 696-702.

Configuration and Hydrodynamic Performance Optimization of Autonomous Underwater Vehicle

Xue Xiafeng，Yan Tianhong

(China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

For the lower navigation resistance but the stronger carrying capacity of autonomous underwater vehicle, the modeling restruction and hydrodynamic performance analysis of AUV must be ongoing, which will be quite time-consuming manually. Isight，providing a multidisciplinary optimization design platform assembled with common optimization algorithm—the NSGA-II genetic algorithm，integrates Solidworks、Gambit、Fluentto modeling and simulating of the AUV shape to complete the design process of the design automatically and intelligently to achieve the optimum design parameters. The results indicate that the ultimate shape parameters of the AUV after optimization appears the lower navigation resistance but the stronger carrying capacity. Hence Isightis able to further strengthen the computing efficiency and practicability of AUV’s configuration and hydrodynamic performance optimization to improve its whole hydrodynamic performance.

AUV; multidisciplinary optimization design; configuration; hydrodynamic performance; optimization

2015-09-19；

2015-10-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379198，51075377，41176076，51121002) 。

薛俠峰(1991-)，男，浙江寧波人，在讀碩士研究生，主要從事水下機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)及水動(dòng)力分析方向的研究。

嚴(yán)天宏(1971-)，男，內(nèi)蒙古興安盟人，教授，主要從事高精密機(jī)器與復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程及振動(dòng)控制等方向的研究。

1671-4598(2016)03-0228-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.062

TP391.9；U661

A