陳 科 ，馮 亮 ，張 楊 ，王 賀 ，劉 峰

0 引言

艇型設(shè)計(jì)是載人潛水器設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一，其目標(biāo)是在滿足總體布置的前提下，力求獲得最佳的水動(dòng)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(guò)輕外殼進(jìn)行體現(xiàn)，輕外殼本身的承載有限，需要框架結(jié)構(gòu)為其提供支撐。另外，框架結(jié)構(gòu)還是載人潛水器的主要承載部位，是眾多設(shè)備的安裝基礎(chǔ)，其重量在載人潛水器總重量中占有很大比例?？梢?jiàn)，在載人潛水器艇型設(shè)計(jì)中，不僅要獲得滿足要求的外形，還需要對(duì)于其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

為獲得較好的水動(dòng)力外形，需要針對(duì)載人潛水器的水動(dòng)力性能展開(kāi)研究。試驗(yàn)測(cè)試是最有效準(zhǔn)確的獲取方法，圍繞其所開(kāi)展的相關(guān)研究與應(yīng)用歷來(lái)受到高度重視。Goodman等[1]研制的世界上第一臺(tái)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以較為準(zhǔn)確地測(cè)得大部分水動(dòng)力；陳厚泰等[2]提出了基于 PMM 機(jī)構(gòu)的潛艇水動(dòng)力測(cè)定推算方法；樓連根等[3]應(yīng)用大振幅平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（PMM）研究了某潛水器的水動(dòng)力；李佳等[4]針對(duì)載人潛水器的阻力試驗(yàn)設(shè)計(jì)加工了一套拖帶裝置，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)備的可用性；李剛[5]利用循環(huán)水槽和 PMM，對(duì)某載人潛器進(jìn)行了水動(dòng)力試驗(yàn)，總結(jié)了附體位置時(shí)與水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系。

在得到了滿足要求的艇型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步開(kāi)展框架結(jié)構(gòu)的研究，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)形式的確定、材料的選擇和強(qiáng)度分析等。劉濤[6]對(duì)于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析和總結(jié)，為潛水器的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。胡勇等[7]針對(duì)大深度載人潛水器框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行了研究，所得到的結(jié)論為載人潛水器框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。葉彬等[8]對(duì)于載人框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行了分析，提出了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，進(jìn)行了基于三種優(yōu)化算法的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化求解，得到了相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果。

本文首先進(jìn)行了載人潛水器的艇型及框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用試驗(yàn)的方式獲取了典型工況的水動(dòng)力，確定了框架結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵要素，利用ANSYS進(jìn)行了框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，隨后針對(duì)艇型及框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了建議。

1 載人潛水器艇型設(shè)計(jì)

1.1 主體艇型設(shè)計(jì)

目標(biāo)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(yè)等。艇型的設(shè)計(jì)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(jié)合目標(biāo)潛水器的任務(wù)使命和技術(shù)要求，艇型采用回轉(zhuǎn)體，三維模型見(jiàn)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(kāi)始減小直至0#肋位處的半徑175 mm；頂部從4#+100肋位開(kāi)始設(shè)計(jì)成甲板平臺(tái)，為工作人員在潛水器布放回收時(shí)停留掛鉤提供便利，載人艙口伸出甲板方便艇員進(jìn)出；底部從4#+100至8#-100肋位為平面，兩側(cè)設(shè)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(kāi)始垂直向上延伸至1025WL，與艏部上方的斜面通過(guò)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在經(jīng)濟(jì)性、重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等諸多方面進(jìn)行平衡，需要重點(diǎn)考慮材料的選擇?？晒┻x擇的框架材料有鈦合金、高強(qiáng)度鋼、鋁合金等。相比高強(qiáng)度鋼和鋁合金，鈦合金具有強(qiáng)度高、防腐特性好、韌性及機(jī)械性能較好等優(yōu)勢(shì)，目前載人潛水器框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多。目標(biāo)載人潛水器選用ΠT-3B鈦合金作為框架結(jié)構(gòu)的材料。

主骨架采用縱骨架式立體骨架與橫框架相結(jié)合的形式，以利于保證載人潛水器的總縱彎曲強(qiáng)度。主骨架沿潛水器長(zhǎng)度方向延伸，上龍骨和下龍骨上下對(duì)應(yīng)。橫框架間距的確定根據(jù)總布置的要求充分考慮了設(shè)備和浮力塊的安裝拆卸與維護(hù)空間。起吊框架位于靠近潛水器質(zhì)量分布中心的主骨架中部，是整個(gè)潛水器的傳力集中區(qū)。采用單點(diǎn)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(xù)的框架結(jié)構(gòu)，加上止蕩輔助吊點(diǎn)以防止單點(diǎn)起吊時(shí)艏、艉部位框架產(chǎn)生過(guò)大垂向位移，框架結(jié)構(gòu)的三維模型見(jiàn)圖3。

圖3 框架結(jié)構(gòu)三維模型

2 載人潛水器水動(dòng)力性能試驗(yàn)

載人潛水器在水中進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)時(shí)具有六個(gè)自由度，在這六個(gè)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(shè)計(jì)階段，需要對(duì)于所設(shè)計(jì)艇型的直航阻力和潛浮水動(dòng)力做出準(zhǔn)確分析。而直航和升沉相比，直航運(yùn)動(dòng)所占又大于升沉運(yùn)動(dòng)，因此，直航是載人潛水器最為重要的運(yùn)動(dòng)，在載人潛水器能量消耗中占有重要的比例，總體設(shè)計(jì)階段需要完成直航有效功率的計(jì)算，以為推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型及艇型的改進(jìn)提供參考。本文以載人潛水器縮比模型為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)模型的直航和潛浮試驗(yàn)得到相應(yīng)的水動(dòng)力。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕习惭b有推進(jìn)器、機(jī)械手、應(yīng)急救生浮標(biāo)等附體，長(zhǎng)1.40 m，寬0.54 m，高0.54 m，空氣中質(zhì)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(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)

直航阻力試驗(yàn)利用循環(huán)水槽和平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。循環(huán)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jìn)阻力測(cè)試時(shí)，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ谘h(huán)水槽中，模型的安裝方向?yàn)轸疾坑?，且處于正浮狀態(tài)，設(shè)定不同的來(lái)流速度并測(cè)得相應(yīng)的阻力Fx。在進(jìn)行后退阻力測(cè)試時(shí)，將模型尾部迎流安裝，測(cè)試原理及其余設(shè)定方式與前進(jìn)阻力測(cè)試相同。

圖5中，阻力和速度的正負(fù)代表方向，對(duì)于阻力和速度進(jìn)行擬合并進(jìn)行阻力系數(shù)的無(wú)因次化處理，得到擬合線和相應(yīng)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。

圖5 直航阻力測(cè)試

前進(jìn)曲線擬合函數(shù)和阻力系數(shù)為

后退曲線擬合函數(shù)和阻力系數(shù)為

2.3 定常潛浮試驗(yàn)

由于模型中縱剖面面積較大，若在循環(huán)水槽進(jìn)行試驗(yàn)將存在明顯的阻塞效應(yīng)。因此，定常潛浮試驗(yàn)采用拖車拖航的方式進(jìn)行。將模型的中縱剖面與拖車前進(jìn)方向垂直，安裝于綜合試驗(yàn)水池的拖車上，通過(guò)六分力水密天平測(cè)量模型拖航時(shí)六自由度力（矩）。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 潛浮阻力測(cè)試

同樣對(duì)于圖6的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

上浮曲線擬合函數(shù)和阻力系數(shù)為

下潛曲線擬合函數(shù)和阻力系數(shù)為

2.4 實(shí)艇直航有效功率

在不同設(shè)計(jì)階段進(jìn)行實(shí)艇有效功率計(jì)算的目的不同，在初始設(shè)階段由于艇型的設(shè)計(jì)、附體的布局尚未最終確定，或方案并未細(xì)化，此時(shí)進(jìn)行的有效功率只是為推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，在艇型設(shè)計(jì)完成后，為準(zhǔn)確對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，就需要借助于水動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試所得到的結(jié)果進(jìn)行計(jì)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(biāo)s代表實(shí)際潛器，下標(biāo)m代表模型；Cf為摩擦阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。Cfs、Cfm、Rfs、Rfm分別通過(guò)式(6)求得。

式中，Re為雷諾數(shù)，通過(guò)式(7)求得。

式中，ν為水粘性系數(shù)；V為航行速度；L為特征長(zhǎng)度。

摩擦阻力Rf通過(guò)式(8)求得。

式中，S為濕表面積，模型試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)艇航行環(huán)境相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型與實(shí)艇環(huán)境水溫、密度及粘性系數(shù)

潛水器在水下航行時(shí)要受到阻力tR，因此必須給潛水器提供同樣大小的推力來(lái)維持運(yùn)動(dòng)，有效推力Te在單位時(shí)間內(nèi)所作的功為有效功率。則有效馬力計(jì)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(jiàn)圖7。

圖7 直航有效功率曲線

目標(biāo)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算工況的確定

載人潛水器主要有母船系固、單點(diǎn)布放、水下作業(yè)、單點(diǎn)回收四種典型工況。對(duì)上述典型工況都進(jìn)行分析不僅耗時(shí)很大，而且也沒(méi)有必要，最終選取單點(diǎn)回收進(jìn)行強(qiáng)度校核[2]。

計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度時(shí)，以潛水器在空氣中的重量作為基本載荷，考慮到作業(yè)過(guò)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(jí)、5級(jí)海況下的運(yùn)動(dòng)加速度影響動(dòng)載系數(shù)φn通過(guò)式(10)求得[8]。

式中，?w為工作工況下的波浪系數(shù)，在5級(jí)海況下，?w=21.7；K為起重系統(tǒng)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(shù)取為3。則許用應(yīng)力[σ]通過(guò)式(11)得到。

式中，材料屈服強(qiáng)度σs=600 Mpa；安全系數(shù)n=3。

3.2 強(qiáng)度分析

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)框架結(jié)構(gòu)建立有限元計(jì)算模型，并進(jìn)行單點(diǎn)布放工況下的強(qiáng)度校核。

3.3 有限元模型的建立

模型坐標(biāo)系見(jiàn)圖 8。坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)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(zhǎng)方向，向艏部為正。

圖8 模型坐標(biāo)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?jiǎn)卧d人艙以及主蓄電池采用質(zhì)點(diǎn)單元。

網(wǎng)格劃分。對(duì)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(wǎng)格大小為100 mm，對(duì)于梁?jiǎn)卧v向龍骨單元長(zhǎng)度為100 mm，各肋位肋骨單元長(zhǎng)度為50 mm。

圖9 整體網(wǎng)格劃分

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

載荷的施加方法。小設(shè)備的重力以集中力形式施加到1個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上，較大的設(shè)備則施加到相應(yīng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上。載人艙和主蓄電池使用多點(diǎn)約束創(chuàng)建剛性體與支架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接。施加的集中力均為設(shè)備實(shí)際重量的2倍。表2給出了主要設(shè)備重量及加載位置。

表2 主要設(shè)備重量及加載位置列表

圖10給出了模型邊界條件的設(shè)置和加載。

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖10 模型邊界條件及加載

圖11 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果（I）

通過(guò)計(jì)算和分析，框架結(jié)構(gòu)重1.68 t；最大變形發(fā)生在艏部，為8.62 mm；最大應(yīng)力值在吊點(diǎn)附近，為143.081 MPa，與許用應(yīng)力200 MPa相比仍有很大裕度，吊點(diǎn)附近應(yīng)力值均大于120 MPa。除吊裝部分之外，其他部位應(yīng)力值相對(duì)較小，進(jìn)一步將框架結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行整理，得到應(yīng)力值分布情況見(jiàn)圖12。圖12中，大部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大部分處于20 MPa以下，應(yīng)力大于70 MPa的僅占1.77%。

圖11 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果（II）

圖12 應(yīng)力值分布圖

4 結(jié)論

完成了艇型和框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)于艇型水動(dòng)力和框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。得出結(jié)論如下：

1）造成前進(jìn)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(shè)計(jì)，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(yīng)在考慮載人潛水器使用功能的基礎(chǔ)上，對(duì)于艇型進(jìn)行局部?jī)?yōu)化和處理。

2）框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)偏于保守，且大部分應(yīng)力處于20 MPa以下，與許用應(yīng)力相比仍有很大裕度。應(yīng)該進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以達(dá)到降低框架結(jié)構(gòu)整體重量的目標(biāo)。

[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(guān)于潛艇六自由度運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力系數(shù)測(cè)定與推算[J].船工學(xué)報(bào), 1980: 44-46.

[3]樓連根, 黃國(guó)梁, 鄔昌漢.水平面大振幅平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于水下運(yùn)載體水動(dòng)力系數(shù)的研究[J].海洋工程,1993,11(2): 8-14.

[4]李佳.載人潛器阻力性能的數(shù)值和試驗(yàn)預(yù)報(bào)及外形優(yōu)化研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[5]李剛.穿梭潛器水動(dòng)力特性的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[6]劉濤.大深度潛水器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究[D].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 2001.

[7]胡勇, 崔維成, 劉濤, 等.大深度載人潛水器鈦合金框架試驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué), 2006,10(2): 73-81.

[8]葉彬, 劉濤, 胡勇.深海載人潛水器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].船舶力學(xué), 2006, 10(4): 105-114.

[9]蘇玉民, 龐永杰.潛艇原理[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2005.

[10]中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社, 2001.