水面无人艇CFRP 结构设计研究

李明明，许志昆，简开勇

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 前言

随着远程控制和人工智能等前沿技术的不断发展，水面舰船的无人化和智能化技术日趋成熟，各国对于水面无人艇的研发已进入白热化阶段，各类适应于不同需求的水面无人艇不断涌现，这一趋势在军事领域尤为明显。

水面无人艇自诞生之日起，便携带着与众不同的“基因”，对比有人驾驶的水面舰船，二者的区别绝不仅限于有人/无人驾驶。USV 应具备以下的特点：（1）能够在恶劣海况下生存；（2）可以全天候执行任务；（3）便于日常检查、维修、保养；（4）便于设备的安装、使用和更换；（5）高机动、高耐波性和高航速等；（6）大的续航力和载重量；此外，还应具备隐身、防火防爆等性能。由此可以看出，USV 对艇体结构提出了很高的要求，常用的造船材料碳素钢和铝合金等难以达到上述要求，而碳纤维增强复合材料(CFRP)具有较高的比强度、比刚度和耐磨、耐化学腐蚀、绝缘、抗疲劳、抗海生物附着、无磁和透波/吸波等优异性能；还可通过基体、芯材、碳纤维铺层方向和添加剂等来设计其整体力学性能和属性；同时 CFRP 也是一种可根据需求进行进一步研发的新型复合材料。以上特点在相当程度上契合了USV 艇体结构材料的发展需求，因此CFRP 在USV 制造领域得到越来越普遍的应用。

CFRP 在高性能舰船结构设计中的应用和相关研究十分丰富。OH Daekyun，韩志强等基于CFRP 层板力学性能随层板中碳纤维含量的变化而改变的材料特性，设计出一套有效的CFRP艇体结构层板轻量化的方法，并将之应用于11 m 的CFRP 高速艇的设计中；焦明鑫研究了CFRP 在游艇制造中的应用；张祎则提出和论证了CFRP 应用于极地救生艇的可行性。随着无人艇近年来的飞速发展，其艇体结构的特殊性尚有待进一步的研究，CFRP 作为一种高性能的复合材料，其本身性能和应用也亟需进一步的研究和开发。

2 USV 的结构特点

由于USV 迥异于有人驾驶舰船的特点，对于USV艇体结构的设计需在现有基础上进行相应的调整，以满足USV 对于速度、局部载荷、自持力、机动性能和生存能力等方面的苛刻要求，这些结构调整需对应于USV 的设计平台和平台载荷的特点。本文基于我院3 t级USV 的结构设计，总结出USV 艇体结构区别于有人驾驶舰船结构的特点：

（1）现阶段国内研发的USV 以船长在15 m 以下的小艇为主。小型USV 意味着艇体的内部空间极为有限，为了实现无人系统的功能，USV 上除了与有人驾驶舰船相同的动力与推进等设备外，还需要安装许多服务于无人系统的硬件设备和电线管路，且为满足USV 在海上的持久能力，通常会设置舱容很大的油箱，因此空间对结构的限制尤为明显；USV 虽然在理论上可以省却人员活动的空间，但现阶段国内的USV 多处在半自主阶段，故USV 设计通常也考虑了有人驾驶的状态；

（2）小型USV对重量极为敏感。其重量主要包括：水面无人平台、基础载荷和任务载荷。其中，基础载荷和任务载荷几乎固定，所以在保证结构安全稳定的前提下，严格控制结构的重量对于实现USV 的高速、灵活和高效等性能十分关键，这也意味着USV 对结构设计和制造提出了更高的要求；

（3） USV 不需考虑载人状态对结构设计的影响，但艇上的硬件设备需要检修，加之模块化的设计趋势，使得处于舱室内的硬件设备检修、更换和保养的便捷性，成为结构设计中必须考虑的因素；

（4）USV 通常放置于母舰和岸基平台上，布放和回收系统是无人艇正常运行的前提，所以在艇上用于布放回收的结构也是USV 结构的重要组成部分。根据3 t 级USV 的设计经验并综合国内外在USV 布放回收技术的应用，虽然有尾滑道布放与回收和摇篮等新型的布放回收系统的相继开发，但目前最常用的依然是操作简单、稳定可靠的各类单点收放装置（见图1），其不仅需要保证自身的安全可靠，更应使吊放和回收过程中的应力均匀的分散到艇体上；

图1 单点收放装置

（5） USV 外形通常较为简单，对于雷达、天线和监控摄像等对安装位置高度有要求的设备而言，难以在艇体上层面上找到合适的安装点，因此USV 上的桅杆不可或缺。但USV 的活动范围和隐身性能又对桅杆的高度和形式进行了限制，因而桅杆结构的设计不仅影响USV 的外观，而且直接关系到USV 的功能，可倒式CFRP 桅杆或许是可行的方案。

3 CFRP 应用于USV 的结构分析

目前常用的船舶制造材料有：铝合金、船用钢、CFRP 和玻璃纤维增强复合材料等，这些材料各有优缺点。对于USV 而言，考虑重量控制要求，船用钢不适合作为结构材料；USV 的水下部分的艇体曲面复杂，影响了铝合金在USV 上的应用；USV 采用CFRP 和玻璃纤维增强复合材料，越来越受到人们的重视，但相比于玻璃纤维增强复合材料，CFRP 在重量、比强度、比刚度和抗拉强度等方面都有较大的优势，但成本较高。随着新技术和新工艺的开发和应用，CFRP 价格的下降是可以预期的，因此综合来看，CFRP 必然成为未来USV 结构材料的主要选项。

CFRP 应用于USV 结构，分析如下：

（1） CFRP 结构形式主要包括：层合板、复合材料夹层结构和帽型材（CFRP 加强筋），其中帽型材对设备和油箱的安装影响最大。如3 t 级USV 的主机在安装时，主机表面最高点距甲板骨材仅有不到100 mm的间隙，但由于CFRP 结构有多种手段可以在保证结构安全可靠的前提下，为设备安装预留足够的空间，包括增加帽型材的碳纤维布的铺层厚度以降低帽型材高度、增加帽材料中芯材宽度来降低帽型材高度、部分结构可以通过在帽型材中添加高强度预埋件以减小帽型材尺寸等；

（2）结构轻量化是USV 结构的重要特征，CFRP结构本身在常用的几种船舶制造材料中密度最小，且与金属材料不同，其在制造过程中最终成形的重量和属性与施工工艺和树脂、碳纤维含量密切相关，所以在保证CFRP 结构力学性能的前提下，设计最优的碳纤维含量也是结构轻量化的一项重要工作；

（3）水面无人平台、基础载荷和任务载荷的开放架构和模块化设计，是USV 发展的必然趋势，而CFRP 非常适用于此种设计。首先是CFRP 能轻易制作出较为复杂的曲面形状，满足模块化设计中的各种形状模块基座的设计制造；其次是CFRP 可以有效保证开放式架构的完整性。

4 3 t USV 结构优化设计

我院设计的3 t 级USV，采用的是CFRP 结构。作者全程参与了该艇的设计与建造，根据在该艇建造过程中所暴露的问题和后期的修改、优化设计中得到的经验，希望能够为大家提供参考和借鉴。

（1）在高速行驶过程中，主机本身是一个振动源，长期振动必然会给主机基座造成一定程度的损伤，为减轻振动的损害可以利用轻质的芯材。实验表明，基座内的轻质芯材能够有效的减震吸能，因此主机基座中的芯材的选取应考虑减震的需求；依此类推，USV中的设备虽然自身没有较大振动，但当USV 在高速航行时，船体和水面的撞击无法避免，因此对于重量较大的设备，在空间允许的情况下，基座采用CFRP 夹层结构优于使用CFRP 层板结构；

（2）充分利用CFRP 结构的特点，可以有效减轻结构重量，优化结构性能。例如对于USV 甲板面而言，使用CFRP 夹层结构无疑是最佳的选择，因为甲板是人员上船和安装任务载荷的重要区域，CFRP 夹层结构不仅能够大幅增加甲板板的刚度，还为甲板上的设备提供更优的夹层结构安装面；此外，因为甲板板的上表面直接承受设备和人员的撞击与压力，因此让上表面的铺层厚度增加、下表面的铺层厚度减小，并保持铺层总厚度不变；与此类比，对于同样使用CFRP 夹层结构的舱壁结构，则需设计为两面的铺层厚度相同；

（3） USV 上单点收放结构的加强，最初使用两根可伸缩的金属柱体，柱体的两端设有贯穿螺孔，一端连接与单点收放结构，另一端则连接到船底的龙骨上。这种设计虽然能够有效的将USV 收放过程中的力传递到船底，但整套方案所附加到艇上的重量过重，并且极大的占用了艇体内部的空间；而如果将单点收放结构设置于舱壁上，则可以利用整个舱壁来传递单点收放结构所受的拉力，这样即使不增加额外的结构，也可以达到增强的效果，当然舱壁上对应于单点收放结构的区域必须加强。两种设计方案，见图2 所示。

图2 单点收放装置的加强方式

5 总结与展望

从早期单一的遥控USV，到品种较多的半自主USV，再到种类丰富的自主USV，作为无人装备体系中的重要一环，USV 的重要性不言而语。CFRP 作为USV 未来重点发展的艇体材料，国内虽有研制成功的CFRP 水面无人艇，但基本都处于样艇阶段，尚未有系列化的CFRP 水面无人艇出现，应通过样艇的结构设计来不断累计经验，这也是发展USV 的必由之路。

本文根据船用CFRP 的应用，分析了CFRP 应用于USV 的优缺点，从3 t 级USV 结构设计出发，分享一些CFRP水面无人艇的优化设计，以期能够抛砖引玉。

关于未来CFRP水面无人艇结构设计优化和发展，有以下几点建议：

（1） CFRP 水面无人艇的发展必然会走向系列化和模块化的道路，在此过程中结构设计的优化应分步完成，从小的细节入手，逐步完善；

（2） CFRP 本身也处在不断发展的进程中，应当持续关注CFRP 的最新发展，将CFRP 最新技术应用于CFRP 水面无人艇的结构中来；

（3）我国亟需开发复合材料船舶结构设计的专业软件，对于设计优化和研究至关重要。