閆炳成，曹 樂，金厚鑫，汪新坤，楊 誕

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

隨著藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，海上對(duì)外貿(mào)易與交流日益頻繁，海難事故也時(shí)有發(fā)生，并造成了巨大的人員傷亡。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，全國每年約有57 000人死于溺水，相當(dāng)于每天150多人溺水死亡。2021年7月20日河南遭遇百年不遇暴雨，造成多人失蹤及遇難。如何對(duì)落水者實(shí)現(xiàn)安全可靠、快速及時(shí)的水域營救以及使施救人員低風(fēng)險(xiǎn)、低傷害地展開施救行為過程，成為當(dāng)前水上救援領(lǐng)域亟需解決的難題。高超楠等人提出一種水上多功能遙控U型救生裝置，并做了可行性分析。李永正等人、李雙月等人分別對(duì)U型救生裝置的阻力性能及流體性能進(jìn)行研究，得到不同負(fù)載下的阻力變化理論。本文提出一種對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該方案將進(jìn)一步從流線減阻結(jié)構(gòu)和人體工學(xué)設(shè)計(jì)、動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)、安全性優(yōu)化分析三個(gè)方面著手，對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的流線外形、舒適度、高效快速救援以及安全性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

流線減阻結(jié)構(gòu)，基于UGNX11.0軟件建立三維模型，在CFD軟件Solidworks flow simulation中優(yōu)化其流體外形，可使裝置獲得更快的水中航行速度，減少水中航行的阻力，縮短救援時(shí)間，同時(shí)抑制水花上揚(yáng)，從而減少水花對(duì)落水者臉部的沖擊及視線干擾，以防再生對(duì)落水者的傷害。人體工學(xué)設(shè)計(jì)，從落水者握持U型動(dòng)力裝置的舒適度出發(fā)，減少因U型動(dòng)力裝置本身的結(jié)構(gòu)原因造成落水者握持的手臂麻木，而失去握持能力導(dǎo)致二次落水的現(xiàn)象。

動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)，直接決定了救援能力及救援的速度，如何研發(fā)設(shè)計(jì)高效輸出的動(dòng)力模塊是該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)噴射推進(jìn)器和整流罩的設(shè)計(jì)原理，在Solidworks flow simulation軟件的幫助下，設(shè)計(jì)出了一款輸出較強(qiáng)的動(dòng)力模塊。

安全性優(yōu)化分析，基于UGNX11.0 Nastran結(jié)構(gòu)分析模塊和Ansys Workbench 2019 R3軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括上下側(cè)施壓、頭部施壓和橫向碰撞等方面的有限元分析實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)和優(yōu)化裝置在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度以及抗沖擊能力的可靠性與安全性。

綜上，本文從減阻外形和人體工學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效的動(dòng)力輸出、安全性優(yōu)化分析三方面，對(duì)U型動(dòng)力救生裝置進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)、CFD仿真對(duì)比、FEA分析檢驗(yàn)優(yōu)化，使其具備快速、可靠、安全、穩(wěn)定營救落水者的能力。

1 流線結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力救生裝置的結(jié)構(gòu)，借鑒了潛艇和動(dòng)車頭部的流線型布局，如圖1所示，采用了德國西門子公司的UGNX11.0軟件進(jìn)行三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)。針對(duì)裝置的減阻外形、水花上揚(yáng)問題和人體工學(xué)原理，設(shè)計(jì)出水阻力小，正反對(duì)稱的U型結(jié)構(gòu)及提升握持舒適度的下凹板面和三角孔形把手，如圖2所示。該裝置的正視圖（圖2（b））及左視圖（圖2（d））具有類似潛艇流線布局的水動(dòng)外形；其頭部中間的凸面艙，是裝置的主控制艙，而外形則類似動(dòng)車頭部的流線曲面。主體材料采用ABS工程塑料，由3D打印增材制造加工完成，該材料強(qiáng)度高，韌性好，有較高的抗沖擊能力，易上色著色，可利用3D打印等方式便捷加工。

圖1 潛艇及動(dòng)車外部流線型結(jié)構(gòu)Fig.1 External streamlined structure of the submarine and highspeed train

圖2 U型動(dòng)力救生裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the U-shaped power life-saving devices

下凹板面和三角孔形把手設(shè)計(jì)，如圖3（a）紅色所示，下凹板面形成對(duì)落水者手臂胳膊的多面支撐，直板可降低握持時(shí)手臂曲度，方便握持，三角孔形把手可使落水者的手部四指均勻受力，握持更有力、更牢固，如圖3（b）所示。而如圖3（c）所示的斜邊握持方式，易造成手部的滑動(dòng)和對(duì)小拇指等部位的擠壓，從而影響落水者手部抓穩(wěn)效果。通過UG NX 11.0軟件的人體建模模塊對(duì)三角孔形把手設(shè)計(jì)進(jìn)行剖解與分析，在人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)porter1998下，手部獲得綠色評(píng)價(jià)，表明其具有舒適的握持姿態(tài)。該設(shè)計(jì)不僅可提升舒適度，同時(shí)可防止浪花對(duì)手部的拍打，并在發(fā)生撞擊時(shí)可保護(hù)手部的安全。

圖3 人體工學(xué)的握持設(shè)計(jì)Fig.3 Ergonomic grip design

總結(jié)上文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可列出U型動(dòng)力救生裝置的各項(xiàng)性能參數(shù)，見表1。

表1 U型動(dòng)力救生裝置的各項(xiàng)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of U-shaped power life-saving devices

該理論浮力值大致相當(dāng)于海事船檢部門認(rèn)證和符合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB-4302-2008）的水域救援專用2.5 kg型救生圈的浮力值，可承重110 kg以下。

1.2 水阻力仿真測試

水阻力的仿真測試，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）實(shí)現(xiàn)。CFD技術(shù)將運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起，已經(jīng)成為解決各類阻力計(jì)算的重要工具。當(dāng)前，CFD被廣泛應(yīng)用于各類水域設(shè)備的阻力優(yōu)化和水動(dòng)力特性的研究中。

CFD軟件通常將水看成是不可壓縮的粘性流體，分析該類流體，通常從質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及流動(dòng)狀態(tài)四個(gè)角度進(jìn)行。針對(duì)水阻力的仿真，一般忽略熱傳導(dǎo)與熱交換，因此，能量守恒可以忽略。

根據(jù)質(zhì)量守恒，得到其連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

湍流模型為型，該方程由湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程組成，其模型參數(shù)通過試驗(yàn)擬合得到，可較好地適用于浮力、阻力等的仿真計(jì)算中。Standard湍流模型的輸運(yùn)方程為：

本文結(jié)合CFD軟件Solidworks flow simulation 2018，對(duì)U型動(dòng)力救生裝置進(jìn)行水阻力仿真測試，以通過對(duì)比找出最優(yōu)的流線型結(jié)構(gòu)。將3種外形結(jié)構(gòu)不同、體積大小相同的U型的動(dòng)力裝置置于勻速5 m／s的流動(dòng)計(jì)算域中，計(jì)算其在三維水域空間中的阻力大小，進(jìn)而獲得阻力最小的動(dòng)力救生裝置外形。1號(hào)船為市場在售某款U型救生裝置，2號(hào)為加裝了整流設(shè)計(jì)的某型動(dòng)力救生裝置，3號(hào)為本文U型動(dòng)力救生裝置，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 不同U型動(dòng)力救生裝置阻力仿真對(duì)比Tab.2 Comparison of resistance simulation of different U-shaped power life-saving devices

通過以上的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，3號(hào)裝置相比于其它2款阻力最小，從而表明了該外形設(shè)計(jì)具有較優(yōu)的減阻能力，可顯著提升裝置的移動(dòng)速度。3號(hào)裝置的U形內(nèi)側(cè)有更少的藍(lán)色低壓流體，代表著擁有更少的水花上揚(yáng)現(xiàn)象。

2 動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)分析

對(duì)于落水者的救援往往是比較緊急的，時(shí)間就是生命，而快速救援需要較強(qiáng)輸出能力的動(dòng)力模塊。該動(dòng)力模塊采用了CYS型強(qiáng)磁無刷電機(jī)，值為3 600，最大功率為900 W。在Solidworks flow simulation軟件的幫助下，進(jìn)行了水中動(dòng)力模塊位置限定的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。圖4（a）為相同功率的涵道式推進(jìn)器，圖4（b）為本文結(jié)合整流罩設(shè)計(jì)和噴泵原理設(shè)計(jì)的動(dòng)力推進(jìn)模塊。從CFD實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，圖4（a）展示的涵道式推進(jìn)器尾部噴口速度為14.4 m／s，推力大小為5.6 kg；圖4（b）動(dòng)力模塊的尾部噴口可實(shí)現(xiàn)高達(dá)23.6 m／s的高速射流，推力大小為9.26 kg。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖4（b）動(dòng)力模塊擁有更強(qiáng)的動(dòng)力輸出，故U型動(dòng)力救生裝置選擇圖4（b）中顯示的動(dòng)力模塊。

圖4 動(dòng)力模塊CFD結(jié)果Fig.4 CFD results of the power module

將搭載了雙動(dòng)力模塊的U型動(dòng)力救生裝置，置于靜流的水中進(jìn)行仿真測試，該雙動(dòng)力模塊均達(dá)到了近17 m／s的噴口射流速度，從而使U型動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)了4.89 m／s的空載移動(dòng)速度，沒有出現(xiàn)空化現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 U型動(dòng)力救生裝置仿真效果Fig.5 Simulation results of U-shaped dynamic life-saving devices

3 安全性優(yōu)化分析

3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水上救援設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性，直接關(guān)乎救援的成功與否。為了實(shí)現(xiàn)安全救援的目標(biāo)，需要U型動(dòng)力裝置具有良好的浮性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，綜合這2方面，本文借鑒了船舶多艙室的設(shè)計(jì)，對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的內(nèi)部進(jìn)行小艙室柵格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。如此，局部損傷漏水可限制在一個(gè)或幾個(gè)柵格艙室內(nèi)，從而避免了大面積的滲水導(dǎo)致浮力顯著降低的現(xiàn)象。同時(shí)，相比于單艙室對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也有提升。

圖6 U型動(dòng)力救生裝置內(nèi)部柵格結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal grid structure of U-shaped dynamic life-saving devices

3.2 靜力學(xué)有限元分析

本文從靜力學(xué)分析和動(dòng)態(tài)碰撞兩方面，對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析中。靜力學(xué)分析中，采用了UGNX11.0軟件的有限元分析模塊，進(jìn)行上、下兩側(cè)施壓分析和頭部施壓分析。上、下側(cè)施壓，針對(duì)落水者對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的駕駛握持行為的受力狀況展開，如圖7（a）所示；手部與把手包裹結(jié)合部分布置500 N作用力，胳膊接觸面布置1 000 N作用力，如圖7（b）所示；靜力學(xué)有限元分析結(jié)果如圖7（c）所示。結(jié)果表明，該U型救生裝置表面的把手處產(chǎn)生了最大為0.004 94 mm的形變量，由此可知，因落水者駕駛而產(chǎn)生的受力形變將是非常小的，可忽略不計(jì)，進(jìn)一步證明該U形動(dòng)力救生裝置上、下側(cè)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)合理安全。

圖7 靜力學(xué)有限元分析（150 kg分布式上、下側(cè)加壓）Fig.7 Static finite element analysis（150 kg distributed upper and lower side pressurization）

頭部施壓，如圖8（a）所示，可從縱向角度檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，在施加1 500 N的靜壓力后，得到如圖8（b）的有限元分析結(jié)果。圖8（b）顯示，在其頭部產(chǎn)生了最高為0.041 8 mm的形變量，主要承力部位在兩動(dòng)力模塊的中間結(jié)合部，該形變量同樣非常小，可忽略不計(jì)，表明該U形動(dòng)力救生裝置的縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)合理；從頭部受力形變的趨勢，可以看出把手部雖有變形，但仍有足夠空間保護(hù)手部的安全。

圖8 靜力學(xué)有限元分析（150 kg頭部加壓）Fig.8 Static finite element analysis（150 kg head pressurization）

3.3 碰撞安全性有限元分析

對(duì)于載人設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性的全面檢驗(yàn)，往往會(huì)采用碰撞的方式，例如汽車的碰撞安全性測試等。本文基于ANSYS Workbench 2019 R3軟件，對(duì)該U型動(dòng)力救生裝置做了碰撞動(dòng)力學(xué)有限元分析實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)分為2組，一組不包覆橡膠，如圖9（a）所示；另一組在U型動(dòng)力救生裝置的頭部包覆減震材料10 mm的橡膠rubber2，如圖9（b）所示。設(shè)置2組U型動(dòng)力救生裝置均以54 km／h（約為空載最高運(yùn)動(dòng)時(shí)速的3倍）的速度沖向鋁合金板材障礙物。由此可得，無橡膠和有橡膠的碰撞力學(xué)有限元分析結(jié)果分別如圖10、圖11所示。碰撞結(jié)果顯示，瞬時(shí)沖擊等效應(yīng)力平均值達(dá)到了14.21 MPa，該值小于ABS工程塑料3D打印制品的壓縮強(qiáng)度28.4 MPa和拉伸強(qiáng)度27.1 MPa，屬于安全范圍；其沖擊能量達(dá)到46.86 J，包覆橡膠rubber2材料后，可有效吸收大約1／4的沖擊能量，在8 J以下的沖擊能量可被橡膠材料直接緩沖掉，U型動(dòng)力救生裝置幾乎不會(huì)承受沖擊。此外，碰撞沖擊易引起U型動(dòng)力救生裝置的震動(dòng)，包覆橡膠組比未包覆橡膠組震動(dòng)幅度減少19.8%，持續(xù)時(shí)間減少一半以上。

圖9 碰撞有限元分析網(wǎng)格劃分Fig.9 Meshing of collision finite element analysis

圖10 碰撞力學(xué)有限元分析（無橡膠）Fig.10 Finite element analysis of collision mechanics（without rubber）

圖11 碰撞力學(xué)有限元分析（含橡膠）Fig.11 Finite element analysis of collision mechanics（including rubber）

由此可見，橡膠材料可有效減緩碰撞對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的影響，利于提升裝置的穩(wěn)定性和耐用性。為使救生裝置更加安全、可靠，故對(duì)U型動(dòng)力救生裝置的頭部包覆10 mm厚的橡膠材料。

4 結(jié)束語

從CFD仿真優(yōu)化結(jié)果來看，該U型動(dòng)力裝置具備較好的流體外形，水阻力小，一定程度上抑制了水花上揚(yáng)現(xiàn)象，具有強(qiáng)大的動(dòng)力輸出，無空化現(xiàn)象，提升了該動(dòng)力救生裝置的動(dòng)力輸出效率；從靜力學(xué)有限元分析結(jié)果來看，其材料選擇及強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理，仿真工況下有極小的形變量，從碰撞的有限元分析結(jié)果來看，頭部包覆減震橡膠墊，可有效提升裝置的防碰撞能力，具備較高的安全性。在UGNX11.0相應(yīng)模塊的幫助下，對(duì)握持的舒適度進(jìn)行了提升。綜上分析，可獲得各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)異的U型動(dòng)力救生裝置，如圖12所示，該U型動(dòng)力救生裝置可實(shí)現(xiàn)更安全、更快速、更可靠地營救落水人員。不足之處在于選擇了ABS塑料3D打印加工整體結(jié)構(gòu)，如換用高密度聚乙烯外殼輔以硬質(zhì)聚氨酯無孔泡沫填充，可進(jìn)一步提升U型動(dòng)力救生裝置的承載能力。本文可為水上救援和公共安全領(lǐng)域的設(shè)備研發(fā)提供一定參考。

圖12 U型動(dòng)力救生裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)外形圖與效果圖Fig.12 Outline drawing and effect drawing of U-shaped dynamic life-saving devices optimized design structure