基于Solidworks和Ansys Workbench的開架水下機器人電子倉的設(shè)計與分析

宋大雷等

摘要：文章利用Solidworks對開架水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并通過數(shù)據(jù)傳輸至Ansys Workbench進(jìn)行筒體和總裝配體的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析。同時，通過對結(jié)果的分析，驗證了電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，保證了在水深200m下電子倉結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：Solidworks；ansys；電子倉；靜力學(xué)結(jié)構(gòu)；水下機器人

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0001-02

1 概述

開架水下機器人是水下機器人的一種類型，其結(jié)構(gòu)為框架式整體結(jié)構(gòu)，采用分層式造型，整體分為頂層、中層和底層三層，兩邊是高強度的邊框，頂層主要用來安裝浮力塊，中層主要用來安裝固定裝載有控制元件的電子倉和推進(jìn)器，下層主要是留出安裝后續(xù)的擴(kuò)展設(shè)備，譬如機械手、配重塊之類。這種結(jié)構(gòu)總體布置比較方便，層次分明，加掛和裝換設(shè)備儀器比較容易，而且高強度的邊框還能起到圍護(hù)、支撐和保護(hù)其他部件的作用。

電子倉是開架水下機器人的重要組成部分，其作用主要是裝載水下機器人的控制系統(tǒng)，所以電子倉結(jié)構(gòu)必須要有良好的密封性能。這就要求其設(shè)計必須要滿足能夠承受在一定水深條件下的水下壓強，不至于被破壞而發(fā)生嚴(yán)重的事故。

Solidworks是一款在中小型企業(yè)中得到普遍應(yīng)用的集成CAD/CAE/CAM的三維軟件。其主要功能在于其CAD功能非常強大，它能夠方便地完成零部件建模，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口與其他CAD/CAE/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。本文主要利用Solidworks進(jìn)行電子倉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口將模型傳送至Ansys Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，評判筒體是否滿足在200m深下的抗壓要求。

2 Solidworks實體模型建立

2.1 筒體的建立

電子倉筒體內(nèi)要放置電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)它們的尺寸和空間位置基本確定筒體的尺寸，最終的筒體外徑大小選用200mm，厚度4mm，長度470mm，在散熱要求和結(jié)構(gòu)強度等要求上考慮選用6061-T6鋁合金，材料參數(shù)如表1，材料為各向同性，介質(zhì)均勻，模型如圖1所示。

2.2 端板的建立

端板的設(shè)計采用了徑向密封，其溝槽采用活塞密封形式。密封圈采用截面直徑為7mm，內(nèi)徑為183mm的密封圈結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2；電子倉端板上密封圈溝槽尺寸如圖所示3：

2.3 內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)的建立

電子倉筒體內(nèi)部的部件有電源模塊、主控板、光端機，所要固定的部件，經(jīng)過零件建模，根據(jù)電子倉內(nèi)部尺寸，內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)如圖4，由兩個固定板垂直放置搭載所需要固定的部件，結(jié)構(gòu)簡單，搭載能力強，在不產(chǎn)生干涉，正常發(fā)揮各部分性能的條件下，有效利用了電子倉內(nèi)部的空間。

3 ANSYS中結(jié)構(gòu)分析

3.1 筒體的靜力結(jié)構(gòu)分析

在Solidworks中將筒體模型另存為parasolid格式，通過Ansys數(shù)據(jù)傳輸接口導(dǎo)入Ansys Workbench中。將模型材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，筒體厚度為4mm并將實體模型進(jìn)行有限元模型化，對有限元筒體模型其兩邊施加固定約束，對筒體外表面施加壓力，計算壓力=2×1.5=3MPa（安全系數(shù)取1.5）。分析的主要目的是確定在200m水深條件下結(jié)構(gòu)是否安全，其變形和應(yīng)力分析如圖5，圖6所示。

3.2 裝配體結(jié)構(gòu)分析

對于裝配體分析而言，在Ansys中很難進(jìn)行裝配體的模型建立，必須借助于其他三維設(shè)計軟件來完成。對于該筒體而言，當(dāng)在Solidworks中完成裝配模型的建立之后，將其傳輸?shù)紸nsys Workben中，并且將材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，對各個外表面施加3MPa的壓力，系統(tǒng)自動為模型添加接觸。最終其總體變形和最大應(yīng)力如圖7、圖8所示。

4 結(jié)果分析

第一，筒體最大應(yīng)力為115.22MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此其結(jié)構(gòu)強度安全。

第二，筒體的最大位移變形為0.0047383mm，其值十分微小，因此筒體結(jié)構(gòu)的剛度安全。

第三，裝配體最大應(yīng)力為166.38MPa，其值同樣遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度方面安全。

第四，裝配體分析最大位移變形0.0048617mm，該值十分微小，對結(jié)構(gòu)不會造成破壞，因此結(jié)構(gòu)剛度安全。

5 結(jié)語

第一，通過Solidworks與Ansys Workbench結(jié)合，驗證了設(shè)計的合理性、安全性、可靠性，保證了開架水下機器人在水深200m作業(yè)時的安全可靠。

第二，筒體的應(yīng)力和位移分析可以為其他類似設(shè)計提供借鑒，同時為電子倉筒體選用提供依據(jù)，為進(jìn)一步地分析和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第三，通過對筒體裝配體的應(yīng)力和位移結(jié)果分析，為水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2] 陽兵兵.觀測型水下機器人結(jié)構(gòu)及其慣性導(dǎo)航方法研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[3] 許競克，王佑君，侯寶科.一種ROV耐壓殼體有限元分析及尺寸優(yōu)化[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4] 于延凱，林揚.水下機器人耐壓艙彈塑性穩(wěn)定性的一種簡易計算方法[J].機器人，2003，25（1）.

[5] 宋輝.ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

作者簡介：宋大雷（1971-），男，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：機器人技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號處理、海洋儀器裝備開發(fā)；王貞玉（1988-），女，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：海洋儀器裝備開發(fā)。

摘要：文章利用Solidworks對開架水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并通過數(shù)據(jù)傳輸至Ansys Workbench進(jìn)行筒體和總裝配體的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析。同時，通過對結(jié)果的分析，驗證了電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，保證了在水深200m下電子倉結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：Solidworks；ansys；電子倉；靜力學(xué)結(jié)構(gòu)；水下機器人

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0001-02

1 概述

開架水下機器人是水下機器人的一種類型，其結(jié)構(gòu)為框架式整體結(jié)構(gòu)，采用分層式造型，整體分為頂層、中層和底層三層，兩邊是高強度的邊框，頂層主要用來安裝浮力塊，中層主要用來安裝固定裝載有控制元件的電子倉和推進(jìn)器，下層主要是留出安裝后續(xù)的擴(kuò)展設(shè)備，譬如機械手、配重塊之類。這種結(jié)構(gòu)總體布置比較方便，層次分明，加掛和裝換設(shè)備儀器比較容易，而且高強度的邊框還能起到圍護(hù)、支撐和保護(hù)其他部件的作用。

電子倉是開架水下機器人的重要組成部分，其作用主要是裝載水下機器人的控制系統(tǒng)，所以電子倉結(jié)構(gòu)必須要有良好的密封性能。這就要求其設(shè)計必須要滿足能夠承受在一定水深條件下的水下壓強，不至于被破壞而發(fā)生嚴(yán)重的事故。

Solidworks是一款在中小型企業(yè)中得到普遍應(yīng)用的集成CAD/CAE/CAM的三維軟件。其主要功能在于其CAD功能非常強大，它能夠方便地完成零部件建模，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口與其他CAD/CAE/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。本文主要利用Solidworks進(jìn)行電子倉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口將模型傳送至Ansys Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，評判筒體是否滿足在200m深下的抗壓要求。

2 Solidworks實體模型建立

2.1 筒體的建立

電子倉筒體內(nèi)要放置電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)它們的尺寸和空間位置基本確定筒體的尺寸，最終的筒體外徑大小選用200mm，厚度4mm，長度470mm，在散熱要求和結(jié)構(gòu)強度等要求上考慮選用6061-T6鋁合金，材料參數(shù)如表1，材料為各向同性，介質(zhì)均勻，模型如圖1所示。

2.2 端板的建立

端板的設(shè)計采用了徑向密封，其溝槽采用活塞密封形式。密封圈采用截面直徑為7mm，內(nèi)徑為183mm的密封圈結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2；電子倉端板上密封圈溝槽尺寸如圖所示3：

2.3 內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)的建立

電子倉筒體內(nèi)部的部件有電源模塊、主控板、光端機，所要固定的部件，經(jīng)過零件建模，根據(jù)電子倉內(nèi)部尺寸，內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)如圖4，由兩個固定板垂直放置搭載所需要固定的部件，結(jié)構(gòu)簡單，搭載能力強，在不產(chǎn)生干涉，正常發(fā)揮各部分性能的條件下，有效利用了電子倉內(nèi)部的空間。

3 ANSYS中結(jié)構(gòu)分析

3.1 筒體的靜力結(jié)構(gòu)分析

在Solidworks中將筒體模型另存為parasolid格式，通過Ansys數(shù)據(jù)傳輸接口導(dǎo)入Ansys Workbench中。將模型材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，筒體厚度為4mm并將實體模型進(jìn)行有限元模型化，對有限元筒體模型其兩邊施加固定約束，對筒體外表面施加壓力，計算壓力=2×1.5=3MPa（安全系數(shù)取1.5）。分析的主要目的是確定在200m水深條件下結(jié)構(gòu)是否安全，其變形和應(yīng)力分析如圖5，圖6所示。

3.2 裝配體結(jié)構(gòu)分析

對于裝配體分析而言，在Ansys中很難進(jìn)行裝配體的模型建立，必須借助于其他三維設(shè)計軟件來完成。對于該筒體而言，當(dāng)在Solidworks中完成裝配模型的建立之后，將其傳輸?shù)紸nsys Workben中，并且將材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，對各個外表面施加3MPa的壓力，系統(tǒng)自動為模型添加接觸。最終其總體變形和最大應(yīng)力如圖7、圖8所示。

4 結(jié)果分析

第一，筒體最大應(yīng)力為115.22MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此其結(jié)構(gòu)強度安全。

第二，筒體的最大位移變形為0.0047383mm，其值十分微小，因此筒體結(jié)構(gòu)的剛度安全。

第三，裝配體最大應(yīng)力為166.38MPa，其值同樣遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度方面安全。

第四，裝配體分析最大位移變形0.0048617mm，該值十分微小，對結(jié)構(gòu)不會造成破壞，因此結(jié)構(gòu)剛度安全。

5 結(jié)語

第一，通過Solidworks與Ansys Workbench結(jié)合，驗證了設(shè)計的合理性、安全性、可靠性，保證了開架水下機器人在水深200m作業(yè)時的安全可靠。

第二，筒體的應(yīng)力和位移分析可以為其他類似設(shè)計提供借鑒，同時為電子倉筒體選用提供依據(jù)，為進(jìn)一步地分析和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第三，通過對筒體裝配體的應(yīng)力和位移結(jié)果分析，為水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2] 陽兵兵.觀測型水下機器人結(jié)構(gòu)及其慣性導(dǎo)航方法研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[3] 許競克，王佑君，侯寶科.一種ROV耐壓殼體有限元分析及尺寸優(yōu)化[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4] 于延凱，林揚.水下機器人耐壓艙彈塑性穩(wěn)定性的一種簡易計算方法[J].機器人，2003，25（1）.

[5] 宋輝.ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

作者簡介：宋大雷（1971-），男，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：機器人技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號處理、海洋儀器裝備開發(fā)；王貞玉（1988-），女，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：海洋儀器裝備開發(fā)。

摘要：文章利用Solidworks對開架水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并通過數(shù)據(jù)傳輸至Ansys Workbench進(jìn)行筒體和總裝配體的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析。同時，通過對結(jié)果的分析，驗證了電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，保證了在水深200m下電子倉結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：Solidworks；ansys；電子倉；靜力學(xué)結(jié)構(gòu)；水下機器人

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0001-02

1 概述

開架水下機器人是水下機器人的一種類型，其結(jié)構(gòu)為框架式整體結(jié)構(gòu)，采用分層式造型，整體分為頂層、中層和底層三層，兩邊是高強度的邊框，頂層主要用來安裝浮力塊，中層主要用來安裝固定裝載有控制元件的電子倉和推進(jìn)器，下層主要是留出安裝后續(xù)的擴(kuò)展設(shè)備，譬如機械手、配重塊之類。這種結(jié)構(gòu)總體布置比較方便，層次分明，加掛和裝換設(shè)備儀器比較容易，而且高強度的邊框還能起到圍護(hù)、支撐和保護(hù)其他部件的作用。

電子倉是開架水下機器人的重要組成部分，其作用主要是裝載水下機器人的控制系統(tǒng)，所以電子倉結(jié)構(gòu)必須要有良好的密封性能。這就要求其設(shè)計必須要滿足能夠承受在一定水深條件下的水下壓強，不至于被破壞而發(fā)生嚴(yán)重的事故。

Solidworks是一款在中小型企業(yè)中得到普遍應(yīng)用的集成CAD/CAE/CAM的三維軟件。其主要功能在于其CAD功能非常強大，它能夠方便地完成零部件建模，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口與其他CAD/CAE/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。本文主要利用Solidworks進(jìn)行電子倉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過其數(shù)據(jù)傳輸接口將模型傳送至Ansys Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，評判筒體是否滿足在200m深下的抗壓要求。

2 Solidworks實體模型建立

2.1 筒體的建立

電子倉筒體內(nèi)要放置電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，根據(jù)它們的尺寸和空間位置基本確定筒體的尺寸，最終的筒體外徑大小選用200mm，厚度4mm，長度470mm，在散熱要求和結(jié)構(gòu)強度等要求上考慮選用6061-T6鋁合金，材料參數(shù)如表1，材料為各向同性，介質(zhì)均勻，模型如圖1所示。

2.2 端板的建立

端板的設(shè)計采用了徑向密封，其溝槽采用活塞密封形式。密封圈采用截面直徑為7mm，內(nèi)徑為183mm的密封圈結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2；電子倉端板上密封圈溝槽尺寸如圖所示3：

2.3 內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)的建立

電子倉筒體內(nèi)部的部件有電源模塊、主控板、光端機，所要固定的部件，經(jīng)過零件建模，根據(jù)電子倉內(nèi)部尺寸，內(nèi)部固定結(jié)構(gòu)如圖4，由兩個固定板垂直放置搭載所需要固定的部件，結(jié)構(gòu)簡單，搭載能力強，在不產(chǎn)生干涉，正常發(fā)揮各部分性能的條件下，有效利用了電子倉內(nèi)部的空間。

3 ANSYS中結(jié)構(gòu)分析

3.1 筒體的靜力結(jié)構(gòu)分析

在Solidworks中將筒體模型另存為parasolid格式，通過Ansys數(shù)據(jù)傳輸接口導(dǎo)入Ansys Workbench中。將模型材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，筒體厚度為4mm并將實體模型進(jìn)行有限元模型化，對有限元筒體模型其兩邊施加固定約束，對筒體外表面施加壓力，計算壓力=2×1.5=3MPa（安全系數(shù)取1.5）。分析的主要目的是確定在200m水深條件下結(jié)構(gòu)是否安全，其變形和應(yīng)力分析如圖5，圖6所示。

3.2 裝配體結(jié)構(gòu)分析

對于裝配體分析而言，在Ansys中很難進(jìn)行裝配體的模型建立，必須借助于其他三維設(shè)計軟件來完成。對于該筒體而言，當(dāng)在Solidworks中完成裝配模型的建立之后，將其傳輸?shù)紸nsys Workben中，并且將材料設(shè)置為6061-T6鋁合金，對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，對各個外表面施加3MPa的壓力，系統(tǒng)自動為模型添加接觸。最終其總體變形和最大應(yīng)力如圖7、圖8所示。

4 結(jié)果分析

第一，筒體最大應(yīng)力為115.22MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此其結(jié)構(gòu)強度安全。

第二，筒體的最大位移變形為0.0047383mm，其值十分微小，因此筒體結(jié)構(gòu)的剛度安全。

第三，裝配體最大應(yīng)力為166.38MPa，其值同樣遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度方面安全。

第四，裝配體分析最大位移變形0.0048617mm，該值十分微小，對結(jié)構(gòu)不會造成破壞，因此結(jié)構(gòu)剛度安全。

5 結(jié)語

第一，通過Solidworks與Ansys Workbench結(jié)合，驗證了設(shè)計的合理性、安全性、可靠性，保證了開架水下機器人在水深200m作業(yè)時的安全可靠。

第二，筒體的應(yīng)力和位移分析可以為其他類似設(shè)計提供借鑒，同時為電子倉筒體選用提供依據(jù)，為進(jìn)一步地分析和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第三，通過對筒體裝配體的應(yīng)力和位移結(jié)果分析，為水下機器人電子倉結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2] 陽兵兵.觀測型水下機器人結(jié)構(gòu)及其慣性導(dǎo)航方法研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[3] 許競克，王佑君，侯寶科.一種ROV耐壓殼體有限元分析及尺寸優(yōu)化[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（4）.

[4] 于延凱，林揚.水下機器人耐壓艙彈塑性穩(wěn)定性的一種簡易計算方法[J].機器人，2003，25（1）.

[5] 宋輝.ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

作者簡介：宋大雷（1971-），男，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：機器人技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號處理、海洋儀器裝備開發(fā)；王貞玉（1988-），女，中國海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：海洋儀器裝備開發(fā)。