空投水下滑翔機(jī)入水沖擊載荷研究

楊 慶，譚智鐸，俞建成，胡 峰，李振宇

(1. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3. 中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110169；4. 清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084)

0 引 言

水下滑翔機(jī)是一種新型水下觀測(cè)機(jī)器人，它無(wú)螺旋槳推進(jìn)器，依靠自身浮力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上浮下潛，具有作業(yè)范圍廣、連續(xù)作業(yè)周期長(zhǎng)、能量損耗低、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用少等特點(diǎn)[1]。水下滑翔機(jī)空投技術(shù)是一種將水下滑翔機(jī)快速部署到指定海域的新布放技術(shù)?？焖俨挤攀强胀端禄铏C(jī)的最大特點(diǎn)，該技術(shù)將入水沖擊研究?jī)?nèi)容和水下滑翔機(jī)技術(shù)相結(jié)合，較之傳統(tǒng)的從母船甲板布放、水下潛射等布放方式相比，空投具有布放速度快、布放機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)。隨著海洋觀測(cè)廣度深度日漸擴(kuò)大，高速、遠(yuǎn)距離投放也將面臨較大的挑戰(zhàn)，而利用無(wú)人機(jī)等進(jìn)行水下滑翔機(jī)的空中投放將會(huì)成為水下滑翔機(jī)的有效投放方式之一[2]。

水下滑翔機(jī)空投入水過(guò)程會(huì)受到強(qiáng)烈的入水沖擊力，對(duì)水下滑翔機(jī)的外殼和內(nèi)部精密結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)件等造成巨大沖擊，導(dǎo)致外殼、結(jié)構(gòu)件損壞或關(guān)鍵元器件無(wú)法正常工作等不可挽回的損失[3-5]。同時(shí)，流體與結(jié)構(gòu)砰擊的力學(xué)變化過(guò)程非常復(fù)雜，涉及流體的瞬時(shí)強(qiáng)非線(xiàn)性、自由液面的卷曲變形等，還會(huì)牽涉氣體的氣墊效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的彈塑性變形等物理過(guò)程[6-7]。施瑤[8]對(duì)比模擬分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了入水沖擊過(guò)程中入水角度，入水速度等對(duì)彈性AUV 的影響，揭示了水彈性效應(yīng)的影響。劉華坪[9]采用流體體積函數(shù)(VOF)多相流模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分析不同的頭型對(duì)魚(yú)雷入水沖擊特性的影響。目前研究多針對(duì)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但水下空投機(jī)器人等設(shè)備外形復(fù)雜，像水下滑翔機(jī)等具有大翼展、長(zhǎng)天線(xiàn)的水下設(shè)備研究相對(duì)較少，因此開(kāi)展水下滑翔機(jī)等的入水沖擊仿真研究具有較大意義。

針對(duì)水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，本文提出基于STAR-CCM+重疊網(wǎng)格和VOF 模型的方法對(duì)小型水下滑翔機(jī)入水過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。同時(shí)，在保證裝配要求的前提下，利用柔性翼結(jié)構(gòu)和不同細(xì)長(zhǎng)比的首部導(dǎo)流罩外形曲線(xiàn)的方法以提高入水沖擊減載率，減少水下航行阻力，提高升阻比等。因此，主要針對(duì)首部入水情況進(jìn)行分析，對(duì)比不同細(xì)長(zhǎng)比條件下的水下滑翔機(jī)入水減載效果，為后續(xù)進(jìn)行空投水下滑翔機(jī)試驗(yàn)提供參考。

1 水下滑翔機(jī)物理模型

本文以中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的海翼1 000mini小型水下滑翔機(jī)為研究對(duì)象，該機(jī)繼承了海翼1 000 的海洋探測(cè)功能。同時(shí)，小體積更加適應(yīng)機(jī)載空投的投放方式。

本文主要研究水下滑翔機(jī)空投入水過(guò)程中的入水沖擊問(wèn)題和外部零件的受力狀態(tài)。為了提升STARCCM+仿真軟件的計(jì)算效率，在保證仿真準(zhǔn)確性前提下對(duì)水下滑翔機(jī)的外形進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。本文主要分析外形結(jié)構(gòu)對(duì)水下滑翔機(jī)的影響，水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1 所示，其物理參數(shù)如表1 所示。

表1 海翼1 000mini 部分物理參數(shù)Tab. 1 Partial physical parameters of sea wing 1 000mini

圖1 海翼1 000mini 水下滑翔機(jī)外形及簡(jiǎn)化示意圖Fig. 1 Outline and simplified diagram of sea wing 1 000mini underwater glider

將水下滑翔機(jī)入水沖擊分解為沿水下滑翔機(jī)軸線(xiàn)方向的軸向力和垂直于軸線(xiàn)方向的徑向力。軸向力會(huì)起到減緩入水速度的作用，軸向力過(guò)大可能會(huì)造成首部變形破損，內(nèi)部軸向結(jié)構(gòu)件損壞等，徑向力相對(duì)質(zhì)心則會(huì)對(duì)水下滑翔機(jī)產(chǎn)生抬首力矩，影響水下滑翔機(jī)的軌跡，力過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致水下滑翔機(jī)的機(jī)身斷裂。

2 入水沖擊仿真模型建立

2.1 入水沖擊力學(xué)基礎(chǔ)與計(jì)算模型

水下滑翔機(jī)入水沖擊過(guò)程涉及氣液兩相流，為觀察入水過(guò)程中自由液面變化，采用VOF 多相流模型獲取空投水下滑翔機(jī)低速入水條件下兩相流液面變化。

利用歐拉多相流方法，通過(guò)設(shè)定空投入水過(guò)程中的空氣相和水相，設(shè)定兩相為互不相容的流體相。之后VOF 方法通過(guò)定義一個(gè)網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積分?jǐn)?shù) α，利用求解 α來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自由液面位置和形狀的計(jì)算求解[10]。

體積分?jǐn)?shù) α可表示為：

其中：V1表 示一個(gè)網(wǎng)格中第一相體積，V表示一個(gè)網(wǎng)格的體積。

體積分?jǐn)?shù)方程：

式中：m21為 空氣相到水相的質(zhì)量傳遞率；m12為水相到空氣相的質(zhì)量傳遞率； Sα1為質(zhì)量源項(xiàng)。

另外，為描述水下滑翔機(jī)入水過(guò)程，分別建立體坐標(biāo)系 (x,y,z) 、速度坐標(biāo)系 (xv,yv,zv)和大地坐標(biāo)系(xg,yg,zg)。在水下滑翔機(jī)入水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到與入水速度相反的阻力Fd和與速度方向垂直的升力Fl。在水下滑翔機(jī)入水時(shí)會(huì)受到浮力Fb。水下滑翔機(jī)體坐標(biāo)系Oy與大地坐標(biāo)系O0yg的夾角為俯仰角θ ，速度V與水下滑翔機(jī)體坐標(biāo)系Oy的夾角為攻角 α水下滑翔機(jī)坐標(biāo)與受力如圖2 所示[11]。

圖2 水下滑翔機(jī)入水受力分析Fig. 2 Force analysis of underwater glider entering water

其運(yùn)動(dòng)方程組為：

2.2 入水沖擊仿真場(chǎng)景建模

本文采用重疊網(wǎng)格的方法進(jìn)行水下滑翔機(jī)入水過(guò)程模擬，以水下滑翔機(jī)軸向長(zhǎng)度L為參考，設(shè)背景區(qū)域長(zhǎng)6L，寬6L，高13L，采用切割體網(wǎng)格對(duì)背景區(qū)域進(jìn)行離散。為了更為精密的獲得入水氣液交界面的變化和水下滑翔機(jī)外形零部件壓力的變化，對(duì)氣液交界面和水下滑翔機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行加密網(wǎng)格處理，其網(wǎng)格離散方式如圖3 所示。計(jì)算采用雷諾平均納維-斯托克斯方程(RANS)和k-ε湍流模型，計(jì)算中背景區(qū)域固定，將水下滑翔機(jī)壁面進(jìn)行DFBI(動(dòng)態(tài)流體相互作用)運(yùn)動(dòng)。以入水攻角30°為例，對(duì)比低網(wǎng)格數(shù)量、中等網(wǎng)格數(shù)量和多網(wǎng)格數(shù)量下計(jì)算結(jié)果差異，最終確定網(wǎng)格數(shù)量約為308 萬(wàn)，為保證計(jì)算精度，節(jié)省仿真資源，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.0005 s。其對(duì)比效果如圖4 和圖5 所示。為確保水下滑翔機(jī)仿真物理模型的可行性，因此根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的小球落水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與小球入水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，滿(mǎn)足仿真誤差期望，如圖6 所示，具備仿真模擬的可行性[12-13]。

圖3 網(wǎng)格離散部分區(qū)域(入水速度10 m/s，入水攻角30°)Fig. 3 Discrete parts of the grid (water entry speed: 10 m/s,water entry angle: 30°)

圖4 不同步長(zhǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間對(duì)比Fig. 4 Comparison of actual running time with asynchronous length

圖6 小球入水文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 6 Comparison of literature data of ball entry into water

3 入水沖擊結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 入水沖擊仿真過(guò)程

在實(shí)際空投實(shí)驗(yàn)中，為實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的安全入水，將借助降落傘進(jìn)行空投，能夠最大限度地降低水下滑翔機(jī)的入水速度，并且能夠起到矯正水下滑翔機(jī)空中姿態(tài)的作用。因此，在進(jìn)行仿真時(shí)，本文對(duì)0°，10°，20°，30°的水下滑翔機(jī)入水攻角工況進(jìn)行仿真。在入水速度方面，對(duì)10 m/s，15 m/s，20 m/s 的水下滑翔機(jī)入水速度進(jìn)行仿真。以入水攻角30°，入水速度10 m/s 為例，其入水運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖7 所示。

可以將水下滑翔機(jī)入水過(guò)程可以分為以下階段：

1）未入水階段，如圖7(a)所示。水下滑翔機(jī)主要受到重力和空氣阻力等的影響，水下滑翔機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)。

2）入水階段，如圖7 中(b)～圖7(e)所示。水下滑翔機(jī)受到重力、入水沖擊力、浮力和空氣阻力等，其中浮力和空氣阻力相對(duì)較小，可忽略。水下滑翔機(jī)首部入水，受到抬首力矩的影響，水下滑翔機(jī)發(fā)生抬首偏轉(zhuǎn)，當(dāng)水平翼板入水時(shí)，翼板受到水的沖擊，水下滑翔機(jī)受到反向力矩，水下滑翔機(jī)入水姿態(tài)反向偏轉(zhuǎn)；

圖7 水下滑翔機(jī)入水過(guò)程(入水速度10 m/s，入水攻角30°)Fig. 7 Underwater glider entry process (water entry speed: 10 m/s,water entry angle: 30°)

3）完全入水階段，如圖7(f)所示。水下滑翔機(jī)受到重力、浮力和水阻力等的影響，在水阻力的作用下水下滑翔機(jī)姿態(tài)不斷調(diào)整，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3.2 入水沖擊受力過(guò)程分析

入水沖擊過(guò)程中，水下滑翔機(jī)首部導(dǎo)流罩最先入水，此處壓力為最大，在實(shí)際空投過(guò)程中可能會(huì)造成首部導(dǎo)流罩的破損，影響正常功能。其次，水下滑翔機(jī)具有大翼展，若以一定的攻角入水會(huì)造成水下滑翔機(jī)翼板存在巨大而壓力差，造成翼板的直接斷裂，影響水下滑翔機(jī)的水下功能。因此，本文研究入水速度10 m/s，入水角度30°情況下的水下滑翔機(jī)入水過(guò)程，仿真得到的結(jié)果如圖8 所示。

圖8 入水階段最大壓力分布曲線(xiàn)(入水攻角30°，入水速度10 m/s)Fig. 8 Maximum pressure distribution curve at water entry stage(water entry Angle 30°, water entry speed 10 m/s)

可知，當(dāng)首部導(dǎo)流罩入水時(shí)，最大壓力與首部導(dǎo)流罩壓力相同，隨著翼板入水，最大壓力從首部導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)向水平翼板。翼板入水后，水下滑翔機(jī)最大壓力與首部導(dǎo)流罩壓力相同，后期雖有小幅度上升，但峰值較小，可忽略。因此，壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)刻主要集中在首部導(dǎo)流罩入水和水平翼板入水，最大能夠達(dá)到0.08 MPa 以上。

3.3 入水攻角影響效果對(duì)比分析

水下滑翔機(jī)簡(jiǎn)化模型前端位置距離水面1 m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8 kg·m2，入水初始速度為10 m/s。為便于分析水下滑翔機(jī)的受力狀況，分別建立水下滑翔機(jī)徑向力和軸向力的分析報(bào)告，通過(guò)力的變化分析水下滑翔機(jī)的入水過(guò)程。

從圖9 可以看出：水下滑翔機(jī)翼板徑向力隨入水攻角的增大而增大，但徑向力增大幅度較大，0°與30°相比徑向力增大了166 倍；軸向力隨入水攻角的增大而減小，但0°與30°相比軸向力減小了2.2 倍。從數(shù)值上看，當(dāng)入水攻角增大時(shí)，徑向力也遠(yuǎn)大于軸向力，對(duì)水下滑翔機(jī)的影響也較大。

圖9 水下滑翔機(jī)入水翼板徑向力峰值、軸向力峰值曲線(xiàn)圖Fig. 9 Curve of peak radial and peak axial forces of the entry hydrofoil of the underwater glider

3.4 入水速度影響效果對(duì)比分析

水下滑翔機(jī)不同的入水速度直接影響水下滑翔機(jī)的受力狀態(tài)，因此，以入水攻角30°為例，建立不同速度下的水下滑翔機(jī)仿真模型。

從圖10 可以看出，在相同高度進(jìn)行水下滑翔機(jī)的投放，入水時(shí)間雖然不同，但入水后徑向力的變化趨勢(shì)基本一致，并隨著速度的增加，翼板的徑向力也逐漸增加。以入水速度10 m/s 進(jìn)行分析，在時(shí)間為0.1 s左右時(shí)，水下滑翔機(jī)開(kāi)始入水徑向力增大，隨時(shí)間的推進(jìn)，徑向力保持不變，0.15 s 時(shí)，翼板受到水的沖擊，徑向力達(dá)到最大，后隨著水下滑翔機(jī)入水，徑向力逐漸減小。因此，對(duì)于以較大速度入水時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)水下滑翔機(jī)的連接強(qiáng)度，減少?gòu)较蛄υ龃笤斐傻挠绊憽?/p>

圖10 不同速度下的徑向力變化曲線(xiàn)(入水攻角30°）Fig. 10 Variation curves of radial force at different velocities(water entry angle of attack 30°)

3.5 水平翼板沖擊載荷分析

相較于其他魚(yú)雷、浮標(biāo)等空投設(shè)備，水下滑翔機(jī)具有較大的水平翼。水平翼水平面積占水下滑翔機(jī)水平面積的23%，垂直截面面積占總高度的1.6%，根部與水下滑翔機(jī)體連接處屬于易損處，入水沖擊過(guò)程易折斷，因此本文分析了不不同入水攻角入水角度下的翼板等效應(yīng)力峰值情況，仿真結(jié)果如表2 所示，通過(guò)比較可以看出，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大入水攻角和較大入水速度的入水。

由表2 得曲線(xiàn)，如圖11 所示。

圖11 不同角度下翼板等效應(yīng)力峰值曲線(xiàn)Fig. 11 Equivalent stress peak curves of fins at different angles

表2 不同入水攻角入水角度下的翼板等效應(yīng)力峰值Tab. 2 Equivalent stress peak values of the fins at different entry angles of attack

在不同的入水角度、入水速度仿真分析下發(fā)現(xiàn)，水平翼板在入水過(guò)程容易造成折斷，因此可通過(guò)優(yōu)化翼板結(jié)構(gòu)或更換柔性翼、折疊翼等，進(jìn)入水下之后翼板展開(kāi)。對(duì)有無(wú)翼板情況下水下滑翔機(jī)受到的徑向力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)翼板情況僅為有翼板情況下的2/3，如圖12 所示。

圖12 有無(wú)翼板徑向力分析Fig. 12 Radial force analysis with and without fins

3.6 首部導(dǎo)流罩沖擊載荷研究

由圖8 入水過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，水下滑翔機(jī)在整個(gè)入水過(guò)程中，壓力峰值首先出現(xiàn)在首部導(dǎo)流罩入水時(shí)，因此，在水下滑翔機(jī)柔性翼板基礎(chǔ)上，對(duì)水下滑翔機(jī)首部外形曲線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化以提升入水減載效果，簡(jiǎn)化示意圖如圖13 所示。

圖13 柔性翼水下滑翔機(jī)外形簡(jiǎn)化示意圖Fig. 13 Simplified outline of a flexible wing underwater glider

在兼顧水下滑翔機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配的前提之下，通過(guò)研究入水沖擊瞬間水下滑翔機(jī)不同的長(zhǎng)短軸比對(duì)減阻率的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下滑翔機(jī)外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。目前海翼1 000mini的長(zhǎng)短軸比為2.4，在水下具有良好的運(yùn)行能力，因此，在保證主艙體直徑不變的條件下，改變首部導(dǎo)流罩的長(zhǎng)度，分別分析2a/D為1，2，3 時(shí)的減阻率，并對(duì)水下航行效率進(jìn)行分析。初始條件設(shè)置為垂直入水工況，距離水面1 m，初始速度10 m/s，仿真結(jié)果如圖14 所示。

分析可知，在入水瞬間，不同長(zhǎng)短軸的首部導(dǎo)流罩外形，對(duì)速度的影響較小，速度的變化較為平穩(wěn)。加速度方面，入水沖擊瞬間，不同導(dǎo)流罩的減載效果差距很大，2a/D=1 時(shí)，加速度峰值超過(guò)2a/D=2 時(shí)的2 倍，但隨著2a/D的增加，減載效果逐漸減小。因此，可以將內(nèi)部俯仰電池組等結(jié)構(gòu)移至首端，減少因?yàn)榧铀俣犬a(chǎn)生的動(dòng)載影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

為將水下滑翔機(jī)安全、高效、準(zhǔn)確的投放至設(shè)定海域，以海翼1 000mini小型水下滑翔機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行水下滑翔機(jī)入水沖擊過(guò)程分析及數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1)水下滑翔機(jī)的入水過(guò)程分為首部導(dǎo)流罩入水和水平翼板入水2 個(gè)階段，主要受力可以從徑向受力和軸向受力兩方面進(jìn)行分析。

2)在入水之前，水下滑翔機(jī)速度不應(yīng)較快，應(yīng)該保持在合理的速度范圍內(nèi)。通過(guò)上述仿真可以發(fā)現(xiàn)速度越小，對(duì)水下滑翔機(jī)的沖擊也就越小。但是入水時(shí)水下滑翔機(jī)很難保證0 m/s 入水，應(yīng)該確定水下滑翔機(jī)最大的入水速度，并設(shè)置合理的安全裕度。

3) 入水攻角會(huì)對(duì)徑向力和軸向力產(chǎn)生不同的影響，在進(jìn)行空投水下滑翔機(jī)時(shí)，小攻角入水能夠明顯降低徑向力的影響，因此可以借助緩沖裝備如降落傘等進(jìn)行投放。但借助降落傘進(jìn)行水下滑翔機(jī)進(jìn)行空投時(shí)，要結(jié)合降落傘開(kāi)傘動(dòng)載等水下滑翔機(jī)的影響，綜合考量確定水下滑翔機(jī)的入水速度。

4)水下滑翔機(jī)大的翼展比造成入水瞬間翼板上下產(chǎn)生壓力差，造成翼板根部應(yīng)力集中，翼板折斷。另外，首部導(dǎo)流罩最先入水，頂部承受壓力較大。優(yōu)化措施主要分為水平翼板直接改用折疊翼柔性翼等，減少入水過(guò)程受到的沖擊；首部導(dǎo)流罩進(jìn)行外部曲線(xiàn)優(yōu)化，降低入水沖擊載荷。

本文主要研究水下滑翔機(jī)入水過(guò)程及其受力特性，確定了投放過(guò)程中應(yīng)該注意的投放攻角和投放速度問(wèn)題，對(duì)于外形零部件給出了優(yōu)化參考方向，為下一階段空投水下滑翔機(jī)奠定了一定基礎(chǔ)。