[其他] NavCad与CAESES耦合的AUV航速功率优化探索

背景介绍及概述

近年来, 自主水下机器人 (autonomous underwater vehicle, AUV) 一直是水下机器人领域的研究热点, 已经在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全保证等方面得到了广泛的应用。水下机器人水动力分析与优化直接影响到续航力等主要技术指标，越来越得到关注与重视。

2019年中国海洋经济博览会上，看到了多来越多厂家推出了自己的水下机器人产品，象征着行业的高速发展和持续繁荣。

CAESES 软件作为CAE设计优化平台，可以方便的构建出各类AUV模型，同时支持各种连接外部求解器（例如CFD求解器），通过优化算法找到更为合适的设计方案。AUV特点是形状主尺度多变并不固定，长度，直径等参数都有可能有较大的变化范围。通常我们使用CFD计算手段作为AUV水动力分析的手段，但CFD单个计算耗时较长，在有限的时间内往往探索设计空间有限，NavCad作为美国HydroComp公司船舶专用的阻力推进性能分析软件，高级版本支持脚本运行以及AUV的水动力分析，计算速度快，可以很好的作为CAESES耦合求解器solver，自动计算每个AUV设计的阻力和推进性能，进行更多设计方案的探索，可作为CFD优化的的前置工具，为CFD优化提供更好的“初始设计”。

AUV 计算评估模型

NavCad中，提供了submarine and SWATH 的预估模型，通过类圆柱形的定义定义几何特性，如下图显示：

除了常规的计算方法外，NavCad还提供了基于 HydroComp 58类模型试验数据得到的独有方法，提高评估的准确性。

CAESES作为CAE优化设计平台，需要结合第三方求解器，通过求解器的计算结果驱动设计的演变。在CAESES中我们可以进行全参数化的几何，例如AUV案例这种模型；也可以导入现有模型，进行变形，我们称之为半参数化模型。

设计优化过程

本次AUV的研究主要目标是在排水量一定的情况下，以求减小阻力和功率的消耗。

每次计算包括阻力的评估以及和一款三叶定距桨的自动匹配（盘面比固定为0.45），螺旋桨的匹配是通过NavCad内部的螺旋桨优化方法进行。在给定推力的情况下，NavCad可以选择出“最优效率螺距”。

Sobol是CAESES中一种常用的试验设计（DoE）方法，可以很好的表征探索整个设计区间。本案例计算了超过1000个Sobol计算，NavCad求解计算在一般办公电脑（i5，8GB）上运行，只需要不到10秒钟的时间即可计算一个方案。

案例的计算条件如下：

· 设计变量: 筒体的直径，首部和尾部的长度与直径比

· 求解器: NavCad Premium

· 目标:阻力和/或 功率最小

· 范围:固定180 kg 排水量, 4 knots 设计航速, 直径范围在0.28m~0.4m之间。

计算结果：

比较理想的结果：

较好结果:长2.47m，直径0.38m，阻力20.7N, 功率 45.1W

较好结果:长2.40m，直径0.35m，阻力22N, 功率 47.7W

不理想的结果：

较差结果:长3.86m，直径0.36m，阻力48.4N, 功率 102W

总结

通过CAESES 的实验设计（DoE）Sobol分析，显示较短的长度与大直径的组合可以得到相对较小的阻力与功率，这与我们的常规预测相符。这种组合可以使得湿表面积较小，从而使得阻力值较小（粘性阻力占主要部分），当然根据设计和限制条件的不同，结果可能不禁相同。

此外，如果AUV如果运行在水面或者近水面，额外的兴波阻力也需要计算考虑。

本次使用CAESES与NavCad进行快速耦合计算，显示了NavCad求解的高效性和CAESES参数化功能的强大以及和设计优化的高效。