《机械传动》2023年 第47卷 第1期
引用格式：刘芬，张进，桑宏强，等. 基于平行四连杆的水下牵引机下限位随动机构设计与仿真分析[J]. 机械传动, 2023, 47(1）:69-76.
LIU Fen，ZHANG Jin，SANG Hongqiang，et al.Design and simulation analysis of lower limit follow-up mechanism of submerged glider based on the parallel four-bar linkage[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2023, 47(1）:69-76.
基于平行四连杆的水下牵引机下限位随动机构设计与仿真分析
刘芬1,2 张进1 桑宏强1 孙秀军1,3 杨世明1
（1 天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387）
（2 天津工业大学 工程教学实习训练中心， 天津 300387）
（3 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛 266100）
摘要 波浪滑翔器是一种新型水面无人观测平台，通过水下牵引机中水翼被动摆动获取波浪能来产生前向推力。通过分析常规波浪滑翔器水下牵引机的脐带缆倾斜角造成的波浪能损失现象，设计了一种水翼摆动下限可以随脐带缆倾斜角的变化而改变的水翼摆动机构——下限位随动机构。首先，通过计算流体力学软件Fluent仿真分析了下限位随动机构对于水翼摆动角度的调节能力；其次，通过在常规水下牵引机内部加装一套平行四边形传动机构，设计了下限位随动机构原理样机，并通过搭建大型波浪模拟测试平台进行水池试验，验证了下限位随动机构原理样机的推进性能。研究表明，所提新型水翼摆动机构可以很好地提升水下牵引机的推进性能。
关键词 波浪滑翔器 下限位随动 推进性能 水池试验
0 引言
海洋作为21 世纪全球资源开发的新领域，对国家安全、经济发展和战略利益的影响日益显著。随着人类对海洋资源的开发利用，海洋观测技术成为一个新兴的研究热点。波浪滑翔器作为一种新型海洋观测平台，可以依靠波浪获取无限的推进力，这为海洋观测提供了一种全新的方法。该平台利用自然界里丰富的波浪能和太阳能，可以实现深远海和长时间的海洋观测，陆地人员可以通过卫星通信方式规划其路径，并可以将传感器采集的参数进行实时回传。该平台具有小型化和无人化的特点，已成为构建新型海洋观测平台的重要工具[1-4]。当前，如何提升波浪滑翔器的推进性能，逐渐成为该领域的研究焦点之一。提升波浪滑翔器推进性能的关键要素在于水翼对波浪能的捕获能力。因此，作为波浪能捕获装置的水翼摆动机构最为重要。
胡峰等[5]利用计算流体力学分析软件Star-CCM+对水翼在波浪滑翔器主体随波浪升沉过程中产生的升沉和绕自身旋转轴被动摆动的耦合运动过程进行了三维模拟，研究发现，在相同波高下，水翼的前向平均推力系数与周期的平方成反比、与波高近似成二次项比例关系。曹守启等[6]通过计算流体力学软件Fluent 分析了水翼形状、水翼摆动角度以及水翼安装分布间距对水下牵引机波浪能捕获效率的影响，研究表明，随着水翼最大摆动角度的增加，水下牵引机的推进效率先增大后减小，最大摆角在20°左右时，推进效果最佳。Qi Z 等[7]利用计算流体力学软件Fluent，采用动网格技术，研究了震荡水翼在主动正弦俯仰运动和主动非正弦俯仰运动下的推进性能，研究表明，当俯仰振幅小于最佳值时，梯形俯仰剖面对波浪滑翔器的振荡翼是有效的。Yang F 等[8]采用计算流体动力学软件Star-CCM+对波浪滑翔器纵列式水翼的推进性能进行了优化，通过改变枢轴位置和弹簧刚度，对2D 和3D 六对纵列水翼的推进性能进行了参数研究，结果显示，与枢轴位置相比，扭转弹簧在推进性能中起着关键作用，中间水翼的推进性能在前后方向上大于其他水翼。于振江等[9]运用雷诺平均Navier-Stokes（Reynolds average Navier-Stokes，RANS）方程，对波浪滑翔器的水翼摆动机构在启动阶段水翼的水动力学行为进行研究，模拟了水翼的运动状况，得到了水翼两侧的压力分布与整体推进动力。
上述研究分析了波浪滑翔器的水翼结构、安装方式、摆动方式以及波浪外部输入参数等对推进性能的影响，但实际工况中缆倾角的存在对推进性能的影响未见考虑。
1 波浪滑翔器的工作原理
Fig. 1 "Black Pearl" wave glider
图2 波浪滑翔器的运动原理
Fig. 2 Motion principle of the wave glider
2 水翼摆动机构的优化设计
2.1 常规水翼摆动机构的设计与不足
图3 常规水下牵引机内部结构
Fig. 3 Internal structure of conventional submerged glider
图4 脐带缆倾斜角
Fig. 4 Umbilical cable inclination angle
2.2 常规水翼摆动机构动力分析
由波浪滑翔器的工作原理分析可知，水面母船随波浪的升沉可以通过脐带缆传递给水下牵引机，水翼在随水下牵引机的升沉运动中会产生被动摆动。因此，水翼的运动可以看作是升沉与俯仰的耦合运动。根据文献[12]，常规水翼摆动机构的运动方程为
图5 常规水翼摆动机构受力分析
Fig. 5 Force analysis of conventional hydrofoil mechanism
图5中，FT 为脐带缆的拉力；Fk 为弹簧的拉力；α 为水翼的攻角；β 为水翼弦线方向与水平面的夹角；FL 、FD 分别为水翼的升力和阻力，其表达式为
在水下牵引机上升阶段，分别计算水翼在水平方向和垂直方向的力，有
2.3 改进下限位随动机构的结构设计
图6 平行四边形机构
Fig. 6 Parallelogram mechanism
2.4 改进下限位随动机构动力分析
图7 改进下限位随动式水翼摆动机构
Fig. 7 Improved lower limit follow-up hydrofoil swing mechanism
定义λ为水翼的随动角，通过随动角λ可以调节水翼弦线与脐带缆之间的角度φ，限位杆与水翼的弦线方向保持垂直。其中，λ和φ满足条件为
此时，水翼的被动摆动表达式为
图8 改进下限位随动机构水翼上升阶段受力分析
Fig. 8 Force analysis of hydrofoil in rising stage with improved lower limit follow-up mechanism
图8中，FL 、FD 分别为水翼的升力和阻力；Fx 为水翼水动力的合力在x方向上的分力；Fy 为水翼升阻力的合力在y方向上的分力；θ 为水翼弦线与x轴的夹角；β 为水翼阻力与y 轴的夹角；ψ 为水翼水动力合力与y轴的夹角；α 为水翼攻角；V 为水翼迎流速度。
下限位随动机构与常规水翼摆动机构受力情况相同，水翼在摆动过程中也受升力和阻力。在水翼上升过程中，水翼水动力在x 轴和y 轴上的分力可分别表示为
式中，ρ 为流体的密度；S 为水翼的面积。
式中，0° < β + ψ < 90°且0° < ψ < 90°，所以，随着升阻比CL /CD 的增大，水翼的推力比Fx /Fy 也会增大。下限位随动机构可以通过改变随动角度来调节β 和ψ 的大小，使水翼处于更好的升阻比位置；且可以通过平行四边形传动机构使水翼在上升过程中一直保持较高的升阻比与推力比的状态，提高水翼的水动力性能，提升水翼的波浪动力转换效率。
3 水翼摆角仿真
通过C 语言编写UDF（User defined function）函数，利用经过二次开发的计算流体力学软件Fluent，对常规水翼摆动机构与改进下限位随动机构在不同扭簧刚度系数和随动角度下的水翼摆动角度进行仿真。由于水下牵引机的水翼成对存在，左右水翼受力相同，且成等间距阵列分布，故本文中选取单对水翼作为研究对象。
3.1 网格生成与边界条件
图9 流体仿真的网格划分
Fig. 9 Mesh generation of fluid simulation
Fig. 10 NACA0012 hydrofoil
表1 水翼特征参数
Tab. 1 Characteristic parameters of the hydrofoil
3.2 常规水翼摆动机构水翼摆角仿真
图11 常规水下牵引机单对水翼在不同K值下的水翼摆角幅值
Fig. 11 Hydrofoil swing angle amplitude of single pair hydrofoils of conventional submerged glider under different K values
图12 常规水下牵引机单对水翼在不同K值下的压力云图
Fig. 12 Pressure nephogram of single pair hydrofoils of conventional submerged glider under different K values
3.3 改进下限位随动机构水翼摆角仿真
图13 下限位随动牵引机单对水翼在不同K值和λ值下的水翼摆角
Fig. 13 Hydrofoil swing angle of single pair hydrofoils of lower limit follow-up submerged glider under different K and λ
4 样机研制及水池试验
4.1 样机研制
Fig. 14 Schematic prototype model of lower limit follow-up mechanism
Fig. 15 Physical prototype of lower limit follow-up mechanism
Fig. 16 3D model of torsion spring
在原理样机的生产制作中，主框架、金属连接片和连接杆均由316不锈钢板激光切割加工而成；为了降低样机在试验中所受的腐蚀，其他金属材料均采用316不锈钢与TC4钛合金材料加工而成；转动关节处的滑动轴承采用PEEK材料，其耐磨性与自润滑性可以增加样机的使用寿命且降低试验中水翼枢轴转动的摩擦力；枢轴采用TC4 材料的金属棒加工而成，并对其进行热处理以保证疲劳强度；水翼采用玻璃钢模压而成，以保证其在海水中具有中性浮力；用于联接金属零部件的螺栓均采用316 不锈钢材料，以避免发生接触腐蚀。
4.2 试验平台搭建
Fig. 17 Large wave simulation test platform
图18 试验中的水下牵引机
Fig. 18 Submerged glider in test
4.3 水池试验
图19 所示为常规水下牵引机在水池试验中的前向推力曲线。由图19 可看出，常规水下牵引机在水池试验中的前向推力曲线比较均匀，峰值推力可达120 N左右，谷值推力在20 N左右，但大部分推力曲线的峰值只有100 N左右。
图19 水池试验中常规水下牵引机前向推力
Fig. 19 Forward thrust of conventional submerged glider in pool test
图20 所示为下限位随动式水下牵引机在水池试验测试中随动角λ分别为0°、5°、10°和15°时的前向推力曲线。
图20 水池试验中下限位随动式水下牵引机前向推力
Fig. 20 Forward thrust of lower limit follow-up submerged glider in pool test
图21 所示为常规水下牵引机与下限位随动式水下牵引机在水池试验中的平均前向推力。
图21 水池试验平均前向推力对比
Fig. 21 Comparison of average forward thrust in pool test
在相同的扭簧刚度系数下，常规水下牵引机的平均前向推力为55.4 N，下限位随动式水下牵引机在随动角λ 为0°、5°、10°和15°时的前向推力分别为52.8 N、65.3 N、61.9 N 和54.6 N。与常规水下牵引机相比，下限位随动式水下牵引机在随动角λ为5°和10°时，其前向推力分别提升了17.87%和11.73%。
5 结论
通过分析常规水下牵引机在实际工况中脐带缆倾斜角造成的波浪能损失现象，提出了一种新型的水翼摆动机构——下限位随动机构，该机构具有以下优点：
（1）考虑了波浪滑翔器实际工况中脐带缆倾角的存在给水翼摆动带来的影响，通过加装平行四边形连杆机构，实现了水翼下限位初始摆角与脐带缆倾角随动，使水下牵引机可以充分利用水面浮体通过脐带缆传递下来的垂向拉力。
（2）提出了在水翼摆过固定角度后再加装扭簧来进行缓冲和储能的方法，降低了水翼初始摆动的阻尼力矩，提高了波浪滑翔器在不同海况下的适用性。
通过流体仿真与水池试验，验证了下限位随动机构对水翼摆角下限有明显的调节能力。通过调节随动角度，所提新型水翼摆动机构可以明显提升水下牵引机的推进性能。
收稿日期：2021-12-29
基金项目：
山东省重大科技创新项目（2019JZZY020701）
国家重点研发计划重点专项（2017YFC0305902）
天津市自然科学基金重点基金（18JCZDJC40100）
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