用于水下滑翔机的刚性-柔性复合压力壳的设计与浮力补偿性能（该压力壳采用夹层结构）

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Design and Buoyancy Compensation Performance of a Rigid-Flexible Composite Pressure Hull With a Sandwich Structure for Underwater Gliders

水下滑翔机耐压壳优化研究：设计刚性-柔性复合夹层壳体，推导薄壳理论下的轴向与径向变形微分方程，建立浮力变化目标函数并采用遗传算法优化参数，经压力测试验证，相比传统刚性壳体浮力变化减少19%以上，应用于PETREL滑翔机模型时无需额外补偿即可稳定滑翔至1000米。

　　

摘要：

压力壳体是水下滑翔机（UG）的主要浮力组成部分，其在上升和下降滑翔过程中的体积变化对UG的运动性能和续航能力有着重大影响。为了提高压力壳体的浮力补偿能力，本研究设计了一种采用夹层结构的刚柔复合压力壳体（简称夹层壳体），该壳体由刚性外层、柔性中间层和刚性内层组成。基于薄壳理论推导了夹层壳体在外部压力作用下的轴向和径向变形微分方程，并获得了三层上的变形和压力分布。建立了夹层壳体浮力变化的目标函数，利用遗传算法优化了壳体参数，并通过压力测试进行了验证。优化后的夹层壳体表现出比传统刚性壳体更好的浮力补偿性能，单位体积的浮力变化减少了19%以上。将所设计的夹层壳体应用于“PETREL”水下滑翔机的理论模型中，以替代传统的刚性壳体，计算结果表明，在下降至1000米的滑翔过程中无需其他浮力补偿和姿态调整。

引言

水下滑翔机（UG）是一种自主水下航行器（AUV），由于其长续航能力和低噪音特性，在海洋勘探和海洋防御领域受到了广泛关注。作为一种无动力系统，UG只能在垂直平面内进行之字形滑翔运动，其运动状态取决于自身的净浮力（重力和浮力的合力）与姿态的协调，如图1[1]所示。通过调节净浮力，UG可以向下或向上运动，从而产生垂直于运动速度的流体动力升力和与运动速度相反的流体动力阻力。当净浮力、升力和阻力达到平衡时，可以实现稳定的滑翔运动。因此，一个精密的浮力系统对于确保UG的稳定运动至关重要。