自主水下航行器(AUV)是探索海洋的重要装备,其广泛应用在海洋科学研究、资源调查、情报监测、军事支援等领域。AUV执行任务主要依靠搭载相应功能的载荷,然而传统形式的AUV载荷搭载能力有限,且无法完成载荷布放。因此,本文旨在研究设计一款多级可分离式自主水下航行器(MS-AUV),其形式为在航行器本体艏部通过分离机构串接多个功能载荷舱,实现多级载荷搭载。MS-AUV可根据执行任务类型搭载相应功能的载荷,并在航行至目标海域时进行布放,其在海洋探测,海防等领域,具有较高的应用价值。本文所做的主要研究工作为如下几个方面:(1)根据MS-AUV的功能与指标要求,对其进行总体方案设计,总体方案包括MS-AUV的工作原理、总体结构布局、各系统模块功能等,为MS-AUV系统结构设计与关键技术研究提供整体思路。(2)首先建立了采用计算流体力学(CFD)方法对MS-AUV进行水动力分析的理论基础。然后,基于CFD方法对MS-AUV的主体外形进行设计,选取综合性能最优的主体外形,同时对附体尾舵进行了参数化设计与分析。最终确定了MS-AUV的整体外形,并对其在不同航行攻角与速度条件下进行了水动力分析。(3)对MS-AUV的分离系统进行结构设计,包括功能载荷舱和分离机构。功能载荷舱与航行器本体采用真空连接方式,实现多级连接,降低了分离机构的复杂性,提高了载荷舱分离运动的稳定性和安全性。为了研究功能载荷舱与航行器本体分离的安全性,采用适应大距离多体运动的动态混合非结构网格技术和CFD-6DOF数值计算方法研究功能载荷舱在水下不同工况条件下分离运动的过程。通过仿真计算,获得了载荷舱的运动轨迹与姿态参数,进而验证了功能载荷舱分离方法的可行性。(4)在对MS-AUV整机外形设计的基础上,对其系统结构进行设计。首先对MS-AUV的耐压壳体及连接密封结构进行设计,并采用有限元分析方法与打压实验,验证结构的抗压与水密性能。然后对重心调节机构和尾舵转向机构进行设计与分析。最后对MS-AUV的推进系统结构进行设计,采用OpenProp软件对推进器的螺旋桨进行参数化设计,并利用基于MRF模型的CFD仿真方法与水池推力实验测试螺旋桨推力性能,验证其可以满足MS-AUV的推力需求。(5)开展MS-AUV本体样机海试实验。首先进行了MS-AUV近海海面航行跟踪性能测试,验证了MS-AUV本体样机具有较好的路径跟踪性能、姿态保持能力、航向保持能力、动力推进能力和定速航行能力等。然后进行了航行指标性能的测试,所测实验结果均达到了主要设计指标,为航行器后续搭载与布放多级功能载荷舱并进一步完成深海自主化航行测试奠定了基础。