行业领域

新一代信息技术产业

需求背景

随着智慧水利、智能航运、海洋生态治理、水域智能安防产业的高速升级，小型水面无人艇凭借体积小、部署灵活、成本低廉、无需人员登船作业、可全天候自主巡航等优势，已经成为内河河道巡检、湖泊水质监测、近岸水域环境采样、水面漂浮垃圾清理、港口安全巡查、浅滩地形测绘等轻量化水域作业场景的核心智能装备。相较于大中型军用、海事专用无人艇，民用小型水面无人艇更适配城市内河、乡村河道、封闭湖泊、浅水区、狭窄桥洞等复杂受限水域，具备部署便捷、运输轻松、维护简单、批量组网成本低的突出优势，是当前民用无人水域智能装备普及落地的主流方向。在国家大力推进水环境综合治理、智慧河湖建设、水域数字化管控的政策背景下，各行各业对小型水面无人艇的续航能力、机动性能、载荷能力、环境适应性、便携部署能力提出了越来越高的技术要求，传统船体结构设计的短板日益凸显，轻量化、高强度、低阻力、高适配性的船体结构设计成为提升小型无人艇综合性能的关键突破口。

现阶段市面上绝大多数民用小型水面无人艇，普遍采用传统玻璃钢、普通铝合金板材等常规材料进行船体成型与结构搭建。此类材料工艺成熟、造价低廉、加工便捷，能够满足基础航行与防护需求，但整体结构自重偏大、冗余结构过多、局部壁厚冗余严重，导致无人艇整机重量居高不下。船体自重过大直接带来一系列工程问题：整机重量增加会大幅提升航行时的水体摩擦阻力与兴波阻力，相同电机功率与电池容量条件下，航行能耗显著升高，直接缩短无人艇续航里程，大幅降低单次巡航作业半径与作业时长；同时自重偏大导致船体启动响应慢、转向迟钝、机动灵活性差，在狭窄河道、多障碍水域、风浪扰动水域难以实现快速机动避障，降低自主航行安全性；此外，自重占用了整机有效载荷配额，使得小型无人艇无法搭载更多传感器、采样设备、高清监测设备、通信模块等拓展载荷，极大限制了无人艇功能拓展与多任务适配能力，严重制约小型无人艇智能化、多功能化发展。

与此同时，传统小型无人艇船体结构设计多依靠经验化建模、标准化模板成型，结构设计偏保守，整体壁厚均匀、无差异化优化，支撑筋布局不合理、局部应力集中区域补强不足、非受力区域材料冗余严重。这种经验式设计方式不区分受力结构与非受力结构，不结合水域航行载荷特征进行拓扑优化，导致船体“重而不强”，整体重量大但局部强度不足，在风浪冲击、水体颠簸、轻微碰撞、搁浅摩擦工况下，容易出现甲板变形、壳体开裂、连接处松动、局部凹陷等结构损伤，结构安全性与耐久度无法兼顾轻量化需求。另外，传统船体成型工艺多为整体模具浇筑、整板折弯成型，结构一体化程度低、拼接缝隙多、结构应力分布不均，不仅增加整机重量，还容易出现渗水、防腐薄弱、结构疲劳等隐患，长期水域浸泡作业下老化速度快，设备维护成本高。

目前国内外无人艇技术研究大多集中在路径规划、避障算法、协同控制、智能感知软件层面，针对小型民用无人艇船体结构轻量化、结构拓扑优化、材料适配、力学减重的专项研究相对薄弱，多数轻量化方案直接照搬大型船舶减重思路，未结合小型艇尺寸小、载荷低、机动要求高、批量量产、低成本应用的专属特点，出现减重过度导致强度不足、减重不足性能无提升、轻量化结构与设备布局冲突、流线型水动力外形被破坏等问题，难以实现“减重、保强、降阻、节能”的综合最优效果。

在当前小型水面无人艇规模化普及、多功能作业、长时续航、便携部署的行业刚需下，开展小型水面无人艇船体结构轻量化专项设计研究，通过材料优选、结构拓扑优化、壁厚差异化设计、筋板布局优化、一体化成型结构改进，在保证船体结构强度、刚度、防水密封性、抗冲击能力满足作业标准的前提下，最大限度剔除结构冗余重量，降低航行阻力、减少能耗损耗、提升续航能力、释放有效载荷、提升机动性能，对推动小型民用水面无人艇轻量化、节能化、实用化、工程化落地具有十分重要的理论价值与实际应用意义，能够有效适配智慧河湖、城市水域治理、生态监测、日常巡检等大量民用场景的产业化需求

需解决的主要技术难题

小型水面无人艇船体结构轻量化设计核心目标，以“减重不降强、轻量化保安全、减阻提续航、结构适配量产”为核心原则，结合小型无人艇尺寸紧凑、载荷有限、水域工况复杂、成本受限、机动要求高的工程特点，需要重点攻克结构、材料、力学、水动力、工艺适配五大维度的关键技术难题，是目前小型民用无人艇轻量化改造落地的主要技术瓶颈。

第一，轻量化与结构强度、刚度的矛盾平衡难题。小型水面无人艇船体尺寸小、整体结构紧凑、内部空间高度饱和，电池、电机、主控、传感器、天线等设备密集布置，船体壳体同时承担支撑、密封、防护、导流、承载多重功能。轻量化设计的核心是削减冗余结构、降低整体自重，但过度减重、减薄壁厚、简化支撑结构极易导致船体整体刚度下降、抗形变能力不足。在风浪冲击、水体颠簸、航行震动、轻微磕碰、岸边搁浅摩擦等真实工况下，容易出现甲板弯曲、壳体变形、接缝开裂、局部塌陷等结构失效问题。传统设计普遍存在“要么偏重保守、性能浪费，要么减重过度、强度不足”的两极问题，如何精准把控减重阈值，在满足结构强度、刚度、抗冲击、抗疲劳的安全前提下实现最大化轻量化，兼顾安全性与轻量化指标，是本课题首要攻克的核心技术难题。

第二，船体结构冗余分布复杂、精准拓扑优化难度大。现有小型无人艇船体多采用经验化对称结构、均匀壁厚设计，未根据航行力学载荷分布进行差异化设计。船体在航行过程中，船艏承受兴波冲击与正面水压最大，船底承受摩擦载荷与支撑载荷集中，船体侧面承受水流侧向压力，甲板承受设备集中载荷，不同区域应力、形变、受力特征差异极大。传统均匀壁厚、统一筋板布局的设计方式，造成高应力区强度不足、低应力区材料严重冗余，重量浪费严重。同时小型船体结构细小特征多、开孔多、走线槽多、设备安装基座多，结构拓扑关系复杂，常规优化方法难以精准识别冗余区域与关键受力区域，无法实现针对性减重优化，如何基于有限元力学分析完成船体拓扑重构、壁厚梯度优化、筋板布局智能排布，实现按需补强、按需减重，是轻量化设计的关键技术难点。

第三，轻量化改造与水动力性能耦合冲突难题。船体外形直接决定航行阻力、兴波大小、水流导流效果，是影响无人艇能耗与航速的核心因素。常规轻量化结构改造多集中在壳体厚度、内部支撑结构优化，容易改变船体局部曲面曲率、流线型外形、吃水深度与重心分布。若结构优化不合理，会破坏原有水动力外形，增加水体摩擦阻力与兴波阻力，出现“减重成功但阻力上升、能耗不降反增”的反向效果。同时轻量化后船体自重降低，整机吃水变浅、重心上移，风浪扰动下船体稳定性下降，更容易出现横摇、艏摇、侧滑现象，导致航行平稳性变差。如何在轻量化结构优化的同时，保留并优化船体流线外形，降低航行阻力，同时优化重心布局、提升轻量艇体的水域抗扰稳定性，解决轻量化与水动力、稳性的耦合矛盾，是课题必须攻克的关键难题。

第四，轻量化材料选型与低成本工程适配难题。高端碳纤维、高强复合纤维材料轻量化效果优异，但造价高、成型工艺复杂、加工成本高、量产难度大，不符合民用小型无人艇低成本、规模化普及的定位；传统玻璃钢、普通铝合金成本低廉，但比强度低、自重偏大、减重空间有限。不同材料的密度、强度、模量、防腐性、防水性、加工特性差异巨大，单一材料难以同时满足轻量化、高强度、低成本、耐腐蚀、易加工的多重需求。同时不同材料的拼接、贴合、成型工艺差异大，混合材料结构容易出现应力不均、粘接失效、渗水脱层等问题，如何在控制项目成本、保证量产可行性的前提下，完成轻量化材料最优匹配选型，实现材料性能、自重、成本三者平衡，适配民用小型无人艇工程落地，是重要技术难题。

第五，轻量化结构抗疲劳、耐腐蚀、密封防水适配难题。水面无人艇长期浸泡在湖水、河水、露天潮湿环境中，水汽腐蚀、水质酸碱侵蚀、昼夜温差形变、长期航行震动疲劳会持续损耗船体结构性能。轻量化结构壁厚更薄、结构更精简，相较于传统厚重结构，抗腐蚀冗余、抗疲劳冗余更低，长期作业更容易出现老化破损、微小形变、密封失效等问题。同时轻量化改造后船体开孔、基座、拼接结构受力状态改变，原有防水密封结构不再适配，容易出现渗水漏气隐患。如何优化轻量化结构的防腐设计、密封结构、抗疲劳结构，保证轻量化船体长期作业的可靠性与耐久性，是工程落地的必备难题。

第六，轻量化结构与设备集成布局的适配难题。小型无人艇内部空间极其有限，各类电控、动力、传感设备排布紧凑，轻量化优化后的壳体厚度、支撑结构、安装基座尺寸发生变化，容易出现设备干涉、安装孔位错位、空间不足、重心偏移等问题。如何在减重优化的同时，兼顾设备安装兼容性、布线合理性、整机重心均衡性，实现结构轻量化与设备集成一体化适配，是保障设计方案可用、可落地、可装配的关键难点

期望实现的主要技术目标

小型水面无人艇船体结构轻量化设计存在的强度与轻量化矛盾、结构冗余量大、水动力适配性差、材料成本失衡、抗扰耐久不足、设备布局冲突等多项技术难题，通过材料优选、有限元力学仿真、拓扑结构优化、壁厚梯度设计、筋板重构、水动力外形保留与优化、密封防腐结构改进等系统性设计，最终实现轻量化、高强度、低能耗、高稳性、低成本、可量产的小型无人艇船体结构方案，具体期望实现的核心技术目标如下。

第一，实现船体结构显著轻量化，有效降低整机自重。通过剔除非受力区域结构冗余、优化壳体均匀壁厚、精简多余支撑结构、替换高性价比轻量化材料，在不破坏船体外形与设备安装空间的前提下，实现小型无人艇船体结构重量大幅降低，相较于传统同规格玻璃钢、铝合金船体实现明显减重效果，有效降低整机基础自重，减少航行负载，从结构层面降低水体摩擦阻力与兴波阻力，为无人艇提航速、降能耗、增续航提供结构基础，显著提升无人艇单次作业时长与巡航覆盖范围。

第二，实现轻量化船体结构强度、刚度、安全性达标，解决减重降强痛点。通过ANSYS有限元静力学、动力学仿真分析，精准获取船体全区域应力分布、形变位移、危险受力点位，针对船艏冲击区、船底支撑区、设备承载区、边缘拼接区等高应力区域进行局部加厚、增设加强筋、结构圆弧过渡补强，对低应力冗余区域大幅精简减重。最终实现高应力区强度冗余充足、低应力区极致减重，保证轻量化后的船体在风浪冲击、航行震动、轻微磕碰、搁浅摩擦等极限工况下无结构性形变、无开裂、无失效问题，整体结构刚度、强度、抗冲击性能完全满足内河、湖泊常规水域作业安全标准，真正实现“减重不降强、轻量化不降安全性”。

第三，实现轻量化船体水动力性能优化，降低航行能耗、提升航行稳性。在结构轻量化优化过程中完整保留船体流线型曲面外形，通过微调局部曲面、优化船艏导流结构、优化吃水与重心配比，降低航行兴波阻力与紊流干扰。同时通过对称轻量化设计、重心均衡布局，解决轻量化后船体重心上移、稳性变差的问题，提升船体抗横摇、抗侧滑、抗水流扰动能力，让轻量化无人艇在狭窄河道、多障碍水域、微风浪环境下具备更优的机动灵活性与航行平稳性，有效提升自主避障、路径跟踪的航行精度，降低航行能耗损耗，显著提升整机续航性能与作业稳定性。

第四，完成适配民用场景的轻量化材料最优选型与结构工艺设计。对比分析玻璃钢、铝合金、轻质复合板材、碳纤维薄板材等多种材料的密度、比强度、防腐性能、加工难度与制造成本，结合小型无人艇低成本量产需求，确定性能与成本最优的轻量化材料组合方案。同时优化船体一体成型、局部粘接、基座集成工艺，减少拼接缝隙、减少结构连接件数量，进一步降低装配自重，提升船体整体性、密封性与结构一致性，解决传统多拼接结构应力分散、易渗水、易老化的问题，形成一套低成本、易加工、可批量生产的轻量化船体制造工艺方案。

第五，实现轻量化船体防腐、防水、抗疲劳性能全面达标。针对薄壁轻量化结构耐久冗余低的问题，优化船体表面防腐涂层结构、边缘防水密封结构、开孔防水台阶结构、设备基座密封结构，提升整体防水防渗能力与抗水汽腐蚀能力。通过结构圆弧化优化消除应力集中点，降低长期航行震动带来的结构疲劳损伤，提升轻量化船体长期作业稳定性与使用寿命，保证无人艇能够适应全天候、长周期、高频率的水域巡检作业需求，降低后期维护成本与设备故障率。

第六，实现轻量化结构与机载设备完美集成适配。在结构优化过程中完整保留设备安装孔位、布线通道、固定基座、传感器安装平台，优化内部支撑布局与空间分配，解决轻量化改造后的设备干涉、空间不足、重心偏移、安装错位等问题，保证所有电控、动力、感知设备正常装配、稳定固定、布线规整，实现结构轻量化与设备集成一体化兼容，保障无人艇各项智能作业功能正常发挥。

第七，建立一套可复用的小型无人艇轻量化结构优化体系。总结形成包含材料选型标准、结构拓扑优化方法、壁厚梯度设计规则、筋板布局策略、水动力适配原则、强度校核标准的完整轻量化设计流程，通过多组工况仿真对比验证优化方案的优越性，证明优化后船体在自重、强度、阻力、稳性、能耗、耐久性等关键指标上全面优于传统船体结构，可为同类型小型民用水面无人艇轻量化改造、结构升级、迭代设计提供成熟、可复用、可推广的技术参考方案