波浪滑翔器脐带缆结构设计与海上试验

黄毫军, 木建一, 刘政雳, 刘银泉, 朱 坤

(中电科(宁波)海洋电子研究院有限公司, 浙江 宁波 315100)

0 引 言

波浪滑翔器是一种以波浪能为动力驱动的新型海上无人观测平台，凭借其长航时、长航距和自主生存能力强等优势，已在海洋科学研究和军事领域等进行了广泛应用[1-3]。波浪滑翔器由水面艇体、水下推进器和脐带缆等三大部件组成：水面艇体随波浪牵引水下推进器垂直运动；水下推进器将垂直运动转换为水平运动提供向前的推力；脐带缆作为连接水面与水下设备的关键结构，既承担波浪能产生的周期性载荷，又为水下设备提供电能和通信，对波浪滑翔器起到至关重要的作用。

目前，曹守启等[4]和孙秀军等[5]采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真软件分析水下牵引机翼片摆动角度对波浪滑翔器的影响，结合水池试验数据得出当翼片攻角为20°时具备最优推进效率，对水下牵引机结构优化设计具有重要意义。王鹏[6]将柔性铠装缆视为刚性元件，采用牛顿-欧拉方法建立四自由度动力学模型，分析在不同海况下波浪滑翔器的运动响应，并通过仿真验证模型的合理性。李小涛等[7]采用ADAMS与MATLAB相结合的方式建立波浪滑翔器运动性能联合仿真模型，验证波浪滑翔器在常规海况下的航行性能，并分析在极端9级海况下连接索缆的最大张力可达8 000 N，研究结果可作为波浪滑翔器脐带缆设计的参考依据。总体而言，学者们主要的研究集中在波浪滑翔器理论模型及工作海况下的航行状态，关于波浪滑翔器关键结构特别是脐带缆的具体设计研究较少。

本文介绍“先锋”波浪滑翔器的结构组成和性能参数，对脐带缆关键结构中的柔性铠装缆内部布局和截面形状、接线盒与缆内钢丝绳固定方式以及缓冲减振结构进行详细的设计研究，保证波浪滑翔器可在6级海况下可靠稳定地运行并具备8～9级等高海况下的短时生存能力。

1 “先锋”波浪滑翔器

“先锋”波浪滑翔器是中电科(宁波)海洋电子研究院有限公司历时十年研制且拥有完全自主知识产权的第二代产品，具有结构设计灵活、可靠性高、续航能力强、可在6级海况下稳定运行等优点，已完成产品定型并进行批量生产。本文研究内容是对前期设计阶段工作的回顾总结。

波浪滑翔器的水面艇体由浮体、航控舱、设备甲板和太阳能光伏板等子部件组成，脐带缆由接线盒、柔性铠装缆和缓冲减振器等子部件组成，水下推进器由水动力翼片、牵引机框架、电罗经和转向舵机等子部件组成[8]。图1展示了各子部件的结构组成。其中：航控系统采用基于北斗卫星的通信导航控制软硬件系统，满足波浪滑翔器自主航行的需求；航控舱结构采用碳纤维材质的水密箱，可耐压5 m以上水深；水面艇体由玻璃钢一体成型，经优化设计和水池试验降低了流体阻力；转向舵机基于磁耦合联轴装置设计，有效提高水下转动部件的工作寿命和防水性能，经测试可连续转舵50万次以上[9]；水下推进器基于模块化自适应水动力翼片设计，提高推进效率及高海况下的生存能力。表1为“先锋”波浪滑翔器的主要性能参数。

表1 “先锋”波浪滑翔器主要性能参数

图1 “先锋”波浪滑翔器各子部件结构组成

2 脐带缆设计研究

脐带缆结构设计主要分为柔性铠装缆、接线盒及缓冲减振器等3部分。

2.1 柔性铠装缆设计

铠装缆一般选用扁平缆设计，与圆形线缆相比，在相同芯线数量的情况下，其弯曲幅度更大、抗折弯性能更优，使用寿命也更长。柔性铠装缆内部采用6根按均匀规则一字排布的铜绞线，两端分别设置直径为3.5 mm的镀锌钢丝绳承重抗拉，外部护套截面根据有限元仿真分析采用流线型截面设计，材料选用防水热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane，TPU)橡胶密封包裹内部导线和钢丝，提高铠装缆的柔韧性，其内部结构如图2所示。

图2 柔性铠装缆内部结构示例

柔性铠装缆护套采用类NACA0010翼型剖面作为流线型截面，长度为45 mm，最大厚度为6 mm。采用COMSOL有限元软件研究二维柔性铠装缆截面的水动力特性，分析流线型缆与相同截面面积的扁平缆(长度为45 mm，厚度为4.8 mm)在不同水流速度下的阻力。

如图3所示，仿真模型计算域为200 mm×100 mm，左边界设置为速度入口，右边界设置为压力出口，其余边界设置为壁函数。网格采用平面非结构网格，边界网格进行加密细化，网格数量为42 472个。设置流体密度为998.2 kg/m3，动力黏度为1.003×10-3Pa·s，采用标准κ-ε湍流RANS模型[10]。

图3 计算域网格及边界条件

在不同水流速度下，分别对柔性铠装缆的流线型截面和扁平截面边界进行线积分可得，来流方向上的流体阻力逐渐增大，且2种截面边界的速度场分布差别也较大。图4为2种截面缆的流体阻力对比曲线。由图4可知，柔性铠装缆截面采用流线型设计，可降低波浪滑翔器向前运动时产生的流体阻力，与传统扁平缆相比，在不同水流速度下最大可减少约40%的水阻。

图4 2种截面缆的流体阻力对比曲线

2.2 接线盒设计

借鉴电动葫芦钢丝绳压板固定[11]的设计思路，将铠装缆两侧的镀锌钢丝通过压板和螺栓固定法牢牢连接在接线盒内部，导线也在其内部与水密线缆焊接导通，并使用硫化胶将接线盒内部灌胶密封。压板固定后的接线盒内部结构如图5所示。

图5 接线盒内部结构

绳端固定压板包括主固定压板和辅固定压板，采用厚度为4 mm的Q235钢板制作。钢丝绳采用规格为6×7、直径为3.5 mm的镀锌钢丝，每根钢丝绳在接线盒内采用1件绳端主固定压板固定，并绕圆柱固定座1圈，再通过2件辅固定压板固定钢丝绳方向。

绳端固定压板装配螺栓规格为12.9级M6，保证拧紧力矩为16～21 N·m，计算中取16 N·m。在固定压板刚度足够的前提下，螺栓拧紧后固定压板对钢丝绳产生压紧力，压紧后钢丝绳所受摩擦阻力即绳端固定处的拉力，但考虑螺栓压紧力达不到理论值，且固定压板应视作悬臂梁受力结构[11]，因此螺栓预紧力应取拧紧力矩理论值的60%，则钢丝绳固定端的拉力可通过计算得出。

在螺栓拧紧力矩下产生的预紧力，即钢丝绳固定端的压紧力F计算式为

F=M/(Kde)

(1)

式中：K为拧紧力矩系数，取0.28；de为螺栓公称直径，6 mm；M为拧紧力矩，M6螺栓的拧紧力矩为0.6×16 N·m=9.6 N·m。

单根钢丝绳固定端的拉力S计算式为

S=2λF

(2)

钢丝绳通过1件主固定压板固定后，再绕过圆柱固定座1圈，可承受的理论总拉力P计算式为

P=(φS)eλα

(3)

式中：φ为动载系数，静拉力时取φ=1；α为钢丝绳在圆柱固定座上的安全圈数的包角，绕1圈相当于取α=2π。

由式(1)～式(3)可得，单根镀锌钢丝经过接线盒内部紧固连接后，理论可承受总拉力P=4 997.03 N。因此，柔性铠装缆2根镀锌钢丝采用压板固定方式可获得约9 994 N的连接承载拉力。

根据GB/T 20118—2006《一般用途钢丝绳》的执行标准，6×7-WSC-3.5 mm镀锌钢丝绳的公称抗拉强度为2 160 MPa，单根钢丝的破断力为9 500 N。因此，柔性铠装缆两侧2根镀锌钢丝的破断力最高可达19 000 N ，远大于2根钢丝绳采用固定压板方式可获得的承载拉力。

根据文献[7]的理论研究，在北大西洋9级海况下，相似重量和尺寸的波浪滑翔器脐带缆受到的最大冲击张力可达8 000 N，仍小于所设计的可承受载荷，因此“先锋”波浪滑翔器的脐带缆部件在理论上可满足在8～9级等极端海况下生存的设计要求。

2.3 缓冲减振器设计

根据“先锋”波浪滑翔器结构的轴向空间有限且受冲击能量较大的特点，提出基于组合式碟形弹簧的缓冲减振结构，使水下推进器在受到冲击载荷时具备较强的缓冲吸振能力。

2.3.1 组合式碟形弹簧减振原理

儿童的认知规律一般来说是从直接感知到表象，再到形成概念的过程。表象介于感知和形成概念之间，抓住中间环节，促使学生多角度灵活思考，大胆想象，对知识的理解逐步深化，发展学生的空间观念，具有十分重要的意义。

碟形弹簧具有小变形、高承载能力的特点，通过合理安排碟形弹簧的组合形式可获得理想的加载特性[12]。碟形弹簧的组合方式如图6所示。

图6 单个碟形弹簧及并列+直列组合式碟形弹簧示例

并列组合：由n个同方向同规格的碟形弹簧组成，在不计摩擦时，载荷Fz=nFo，变形量fz=fo。

直列组合：由i个相向同规格的碟形弹簧组成，在不计摩擦时，载荷Fz=Fo，变形量fz=ifo。

并列+直列组合：由i组相向同规格的并列组合碟形弹簧组成，在不计摩擦时，载荷Fz=nFo，变形量fz=ifo。(注：Fo和fo分别为单个碟形弹簧的载荷和变形量。)

根据GB/T 1972—2005关于碟形弹簧的设计规范，无支撑面碟形弹簧载荷Fb计算式为

(4)

式中：Fb为外加载荷；E为弹性模量；μ为泊松比；t为碟形弹簧厚度；D为碟形弹簧外径；f为变形量；h为碟形弹簧内锥高度；K1计算式为

(5)

式中：C=D/d，其中d为碟形弹簧内径。

当变形量f=h，即碟形弹簧被压平时，载荷Fc为

(6)

2.3.2 缓冲减振结构设计

根据水下推进器模块化的结构特点[13]，设计如图7所示的缓冲减振模块化结构。

图7 缓冲减振模块化结构

图7中，4组导杆分别穿过万向连接座、框架横梁和减振盒后，套入组合式碟形弹簧，最后套入底部垫片后用防松螺母紧固，施加一定的螺栓预紧力，使碟形弹簧与减振盒内部和底部垫片充分接触。

组合式碟形弹簧采用并列(n=3)+直列(i=28)的组合方式，即载荷Fz=nFo=3Fo，变形量fz=ifo=28fo。由于水下推进器结构长期浸于海水中，因此碟形弹簧选用SUS304-CSP不锈钢带材料，其弹性模量E=194 GPa，泊松比μ=0.3。碟形弹簧的选用型号与参数如表2所示。

表2 “先锋”波浪滑翔器主要性能参数 mm

碟形弹簧在实际使用时压缩量安全范围应控制在75%以内，使其获得更长的疲劳寿命[14]。因此，根据式(4)且取f=75%h可得，单个碟形弹簧的负载能力Fo=1 147 N，变形量fo=0.3 mm。

采用4组并列(n=3)+直列(i=28)的碟形弹簧组合方式的载荷和变形量分别为

载荷Fz=4nFo=13 764 N；

变形量fz=ifo=8.4 mm。

选用的碟形弹簧h/t=0.4；D/t=18，其刚度变化曲线接近直线。因此，可计算出单组缓冲减振模块化结构可吸收近57.8 J的冲击能量。“先锋”波浪滑翔器在脐带缆两端的接线盒分别与水面艇体和水下推进器各安装一组相同的缓冲减振模块，则最大可吸收共115.6 J的冲击能量，满足其在8级海况下的减振吸能设计要求。

3 海上试验

3.1 试验过程

2022年12月7日13点45分，“先锋”波浪滑翔器搭乘“至宪2”船远赴印度洋航行途中，在我国南海西南部(109.255°E，7°N)附近海域实施布放，经历69 d的海上自主航行后，于2023年2月14日10点50分“至宪2”船返航途中在南海西南部(110.906°E，9.7425°N)附近海域实施设备回收，布放和回收现场如图8所示。试验期间，相关海域的浪高大部分为0.1～3.0 m，在2023年1月27日—30日出现4～6 m的浪高，相当于6级海况条件，“先锋”波浪滑翔器均顺利平稳地实现自主可控航行，验证了其在高海况下的生存能力。

图8 波浪滑翔器布放和回收现场

3.2 试验结果及分析

“先锋”波浪滑翔器历经69 d海上自主航行，航行总里程为2 383 km。试验期间，波浪滑翔器分别开展航行速度测试和虚拟锚泊测试。长航时航行轨迹如图9所示。

图9 “先锋”波浪滑翔器航行轨迹

3.2.1 航行速度

获取北斗通信地面站记录的连续轨迹点和时间数据，通过计算将各经、纬度坐标所有连续点的数据进行累加，可计算出航行速度[15]。为提高测试准确性，设置从起始点(109.969°E，8.711°N)至结束点(110.154°E，8.710°N)约20 km路径，选取在3级海况条件下测试“先锋”波浪滑翔器的航行速度。

直线航行速度测试轨迹如图10所示，其中虚线为规划路径，曲线为实际航行轨迹。

图10 直线航行速度测试轨迹

速度处理结果如图11所示，其中虚线为平均速度，曲线为每隔1 h记录的瞬时速度。整段直线轨迹测试耗时约18 h，“先锋”波浪滑翔器的平均速度为1.28 kn，最快速度可达1.5 kn。

图11 航行速度曲线

3.2.2 定点保持精度

“先锋”波浪滑翔器的理论设计定点保持精度半径为100 m±20 m。通过设置虚拟锚泊点(110.639°E，9.057°N)，连续48 h记录波浪滑翔器位置。试验轨迹结果如12(a)所示，其中圆形虚线为80 m半径区域。定点距离偏差如图12(b)所示，其中虚线为80 m半径。

图12 定点保持轨迹和定点距离偏差图

可直观看出，波浪滑翔器航行控制系统通过计算自身坐标与目标点距离进行校准修正，实现定点保持精度处于约80 m范围内，表现出波浪滑翔器较优的定点保持能力，可满足长时间驻点任务要求。

4 结 论

以“先锋”波浪滑翔器为研究对象,介绍其结构组成及性能参数,设计关键部件之一的脐带缆,运用有限元软件和理论计算的方法对柔性脐带缆、接线盒和缓冲减振结构进行设计研究,并在南海开展长航时海上试验。得到如下结论：

(1) 柔性铠装缆采用六芯线与2根钢丝绳呈一字规则排列,在不同航速下,与传统扁平缆相比,采用类NACA翼型截面的流线型缆最大可降低约40%的流体阻力。

(2) 接线盒与铠装缆内的钢丝绳通过固定压板与绕柱的连接方式可提供约9 994 N的承载拉力。

(3) 提出基于组合式碟形弹簧的缓冲减振结构设计,可缓冲吸收约115.3 J的冲击能量,使脐带缆与水下推进器和水面艇体连接处具备缓振吸能的作用。

(4) 在南海开展为期69 d的海上试验,航行里程为2 383 km,3级海况下平均航速为1.28 kn,虚拟锚泊精度半径小于80 m,验证了波浪滑翔器的海上航行性能。

未来波浪滑翔器应向更大尺寸和更大载荷的方向发展,并为水下推进器提供辅助动力系统,提高其灵活响应的能力。研究成果为后期的优化设计及下一代产品的研制提供技术和试验支持。