觀(guān)察型遙控潛水器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 影，蘇玉民，金 星

（哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

隨著陸地資源的日益減少，海洋資源的開(kāi)發(fā)已迫在眉睫，21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，作為一個(gè)海洋大國(guó)，理應(yīng)在潛水器研制、應(yīng)用方面占據(jù)一席之地，即該研究具有重大經(jīng)濟(jì)潛力［1］．

遙控式潛水器的最大優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)時(shí)控制潛水器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)觀(guān)察潛水器探測(cè)的目標(biāo)信息和聲納、電視圖像，潛水器操作員能操縱潛水器及時(shí)處理水雷目標(biāo)．遙控式潛水器的另一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是潛水器所需的電能可由母船補(bǔ)充，使?jié)撍黧w積小且續(xù)航力不受電池容量的限制．纜控式潛水器的不足之處是電纜的長(zhǎng)度有限，潛水器的活動(dòng)范圍比較小，并且容易造成電纜水下纏繞故障，給使用者帶來(lái)不便［2］．

1 潛水器的體系結(jié)構(gòu)及布置

1．1 使用條件

該潛水器適用水深300 m，海況4級(jí)，速度v≥1．5 m/s，為了保證足夠的維修空間，盡量縮小外形尺寸，長(zhǎng)≤2 m，寬≤1 m，高≤1 m，空氣中的質(zhì)量≤500 kg，有效載荷≥25 kg．自動(dòng)定深，自動(dòng)定高．推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng)．推進(jìn)系統(tǒng)：水平方向矢量推進(jìn)器≥4臺(tái)，垂直方向推進(jìn)器≥2臺(tái)．螺旋槳材質(zhì)為合金．浮力塊材料可承受潛水器極限深度水壓，具備防撞、防刮能力．在無(wú)配重情況下，潛水器為正浮力潛水器，設(shè)有犧牲陽(yáng)極保護(hù)．采用電纜供電，觀(guān)察系統(tǒng)由照相機(jī)、攝像機(jī)、照明燈和聲納組成．

1．2 推進(jìn)器功耗

潛水器以恒定速度前進(jìn)時(shí)，它所受的推進(jìn)力為

式中：ρ為海水的密度，取為1．03 g/cm;A為特征面積，m2，對(duì)于潛水器載體是橫截面面積，對(duì)于電纜為直徑（m）乘以垂直于海流方向的電纜長(zhǎng)度;Cd為無(wú)因次阻力系數(shù)，對(duì)于潛水器一般取0．8，對(duì)于不平直電纜一般取1．2．

潛水器載體的運(yùn)動(dòng)速度是v=1．5 m/s，水深為300 m，并假設(shè)主纜從起重吊桿下懸吊潛水器的臍帶纜的長(zhǎng)度為350 m，主纜直徑25．4 mm，前部特征面積為0．921 5 m2，則載體阻力為

P總是速度最大時(shí)的功率，考慮到海況等其他條件的影響，選擇Model 2020型號(hào)［3］的推進(jìn)器，其功率為5．5 kW．

1．3 重量和重心的確定

利用PRO/E軟件對(duì)潛水器的各零件重量、重心進(jìn)行估算，得到潛水器的總重量為4 590．8 N．重心位置：

通過(guò)計(jì)算得Xg=3．146 mm，Yg=106．223 mm，Zg=432．396 mm．

浮心位置：

經(jīng)計(jì)算得Xc=2．091 mm，Yc=121．571 mm，Zc=553．216 mm．

潛水器的浮力為4 919．6 N，重力與浮力稍有偏差，這些偏差可以很容易通過(guò)減少浮力模塊的體積和配重來(lái)進(jìn)行調(diào)整．為了保證潛水器的穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)有一定的穩(wěn)心高度，一般的潛水器穩(wěn)心高度應(yīng)大于7 cm，大型潛水器應(yīng)相應(yīng)地增大．

穩(wěn)心高：h=Zc－Zg，

為了保持潛水器的平衡，應(yīng)有Xc=Xg，Yc=Yg．如果Xc≠Xg，Yc≠Yg，則應(yīng)調(diào)整潛水器的總體布置，雖然不能絕對(duì)相等，也應(yīng)使

重心位置與浮心位置稍有偏差，但滿(mǎn)足上述的要求．所以能夠達(dá)到平衡，且浮心高度大于重心高度12 cm，穩(wěn)定性也能得到滿(mǎn)足．起吊環(huán)的安裝位置與潛水器的重心位置、浮心位置大致在一條鉛垂線(xiàn)上，這樣可保證在起吊和回收過(guò)程中潛水器始終保持正浮的狀態(tài)．

2 潛水器的總體布置

由文獻(xiàn)［4］綜合多種因素確定潛水器的各個(gè)功能模塊以及總體布置，PRO/E軟件建模得到300 m觀(guān)察型遙控潛水器的三維總體布置［5］，如圖1所示．

圖1 潛水器的總體布置示意圖

3 ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

3．1 控制艙主體的理論計(jì)算

控制艙選用半球形封頭的圓柱形殼體形式，材料選用HY－100鋼，根據(jù)所要求的設(shè)計(jì)尺寸，初步?jīng)Q定殼體的外徑為300 mm．對(duì)于承受一定壓力的圓柱殼體，其殼板的最小厚度為［2］

式中：P為最大工作壓力，P=ρgh=1．03×1 000×300 ×9．8=3（MPa）;D0為殼體外徑，300 mm;［σ］為許用應(yīng)力，?。郐遥?230 MPa．

封頭殼板最小厚度［2］

式中：D1為封頭外徑，D1=300 mm;y為形狀系數(shù)，取0．5;［σ］為許用應(yīng)力，N/mm2．

考慮到實(shí)際情況和加工的方便性，取圓筒和封頭厚度相同，t=5 mm．

圓柱形的耐壓殼體兩端封頭，對(duì)圓柱殼起著徑向支撐的作用，可使圓柱殼的穩(wěn)定性有所提高．用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可看出在t=5 mm時(shí)，耐壓殼出現(xiàn)了失穩(wěn)，此時(shí)可通過(guò)加肋骨或增加耐壓殼厚度來(lái)提高其穩(wěn)定性．本設(shè)計(jì)中采用增加耐壓殼厚度的方法，當(dāng)t=8 mm時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算得到臨界壓力

由式（6）得出其失穩(wěn)臨界壓力為8．78 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的屈服極限，所以，所設(shè)計(jì)的密封艙穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求．

3．2 ANSYS有限元分析

由文獻(xiàn)［6—7］可知圓柱殼的結(jié)構(gòu)形式，初步設(shè)計(jì)外徑150 mm，厚度8 mm，長(zhǎng)度500 mm，其材料為合金鋼，條件屈服應(yīng)力為 700 MPa，極限強(qiáng)度為

圖2 控制艙網(wǎng)格劃分后的有限元模型

3．2．1 強(qiáng)度分析

由于筒體兩端可以進(jìn)行剛性構(gòu)件加強(qiáng)，在分析時(shí)把控制艙兩端看作剛性固定，近似認(rèn)為兩端可以保持圓形截面形狀，對(duì)圓柱外表面施加外載荷，即實(shí)際外壓力．

圖4 控制艙靜力分析應(yīng)力分布圖

3．2．2 穩(wěn)定性分析

ROV的耐壓殼體受海水壓力的外部壓強(qiáng)作用，往往不是因?yàn)閺?qiáng)度的原因而破壞，而是當(dāng)外部水壓達(dá)到一定值時(shí)，殼體的形狀發(fā)生了改變，對(duì)稱(chēng)性被破壞，失去了原來(lái)的形狀．此時(shí)壁內(nèi)將由單純的壓應(yīng)力變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力，殼體喪失其穩(wěn)定性，從而造成控制艙的破壞，如圖6和圖7所示．所以在耐壓殼的設(shè)計(jì)中，不但要保證殼體中的應(yīng)力小于規(guī)定的許用應(yīng)力，也要保證殼體具有足夠的穩(wěn)定性［9］．

當(dāng)選擇控制艙的厚度為5 mm時(shí)，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性均不能滿(mǎn)足要求．通過(guò)理論值與計(jì)算值的比較最終確定控制艙的厚度為8 mm．844 MPa，承受外載荷為3 MPa，考慮到海洋及海底情況的影響，取計(jì)算載荷系數(shù)為1．5，則可得實(shí)際的外壓力為F=3 ×1．5=4．5（MPa）．采用 SOLID92 實(shí)體單元建立其有限元模型如圖2—3所示．

圖3 控制艙受加載力和自由度約束后的模型

通過(guò)ANSYS有限元分析，得出應(yīng)力與位移分布如圖4和圖5所示，其最大應(yīng)力為72．7 MPa，最大位移為0．039 6 mm，由理論公式得許用應(yīng)力為500 MPa，即 σmax＜［σ］，試件強(qiáng)度滿(mǎn)足要求［8］．

圖5 控制艙靜力分析位移分布圖

圖6 控制艙發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力分布圖

圖7 控制艙發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的位移分布圖

控制艙的屈曲模態(tài)分析，是用于確定結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)．

從圖8和圖9可看出，所施加的載荷為3 MPa，而計(jì)算后的載荷系數(shù)為18．622，故可得到特征值屈曲分

圖8 控制艙特征值分析失穩(wěn)模態(tài)變形圖

3．3 起吊環(huán)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

潛水器的起吊回收過(guò)程很重要，如處理不當(dāng)會(huì)造成潛水器的遺失．所以要保證在焊接處、起吊處、吊鉤處的強(qiáng)度，以保證 ROV起吊和收放的安全性［2］．

考慮到海況等各種復(fù)雜因素的影響，可認(rèn)為起吊環(huán)受到1 000 kg的拉力以及接觸應(yīng)力，這個(gè)載荷是吊鉤對(duì)其施加的，所以它們的接觸部分可以看作一個(gè)圓環(huán)帶．由于底部與底座采用焊接方式，可認(rèn)為其底端為完全約束．

這里用ANSYS對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度及位移分析，采用的是BEAM188梁?jiǎn)卧?］，結(jié)果如圖10和圖11所示．由圖10和圖11可知，最大位移值為0．043 5 mm，發(fā)生在起吊環(huán)的頂部圓環(huán)帶部分，這相對(duì)于材料的延伸率來(lái)說(shuō)滿(mǎn)足要求;最大應(yīng)力為76．6 MPa，也發(fā)生析后的極限載荷為3×18．622=55．866（MPa）．而其最大位移值為1．079 mm．可以明顯地看出，當(dāng)達(dá)到臨界載荷時(shí)，發(fā)生了屈曲，出現(xiàn)了褶皺．在起吊環(huán)的頂部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的許用應(yīng)力260 MPa，所以強(qiáng)度滿(mǎn)足要求．

圖9 控制艙特征值分析位移分析圖

圖10 起吊環(huán)位移分布圖

圖11 起吊環(huán)應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

所研究的潛水器主要用于潛水作業(yè)部擴(kuò)充潛水設(shè)備，在以國(guó)內(nèi)外具有代表性的ROV的母型資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合水下作業(yè)情況，設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性且能滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求的觀(guān)察型遙控潛水器，采用逐步近似法確定潛水器的主尺度與排水量．利用PRO/E軟件完成ROV的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配．考慮到其作業(yè)的特殊環(huán)境，根據(jù)設(shè)計(jì)特征，就設(shè)計(jì)中的耐壓殼（控制艙），起吊環(huán)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究、分析，確定了合理方案．用ANSYS有限元分析軟件對(duì)耐壓殼、起吊環(huán)進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過(guò)與理論計(jì)算值校核，選擇出滿(mǎn)足該海況下最小的尺寸．運(yùn)用PRO/E和ANSYS軟件不僅能對(duì)其進(jìn)行整體及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，還能縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高效率，設(shè)計(jì)出在滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求的條件下，體積最小、質(zhì)量最輕的潛水器．

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