申強(qiáng)龍
(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018)
水下機(jī)器人載體框架的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)
申強(qiáng)龍
(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018)
載體框架是有纜無(wú)人水下機(jī)器人(簡(jiǎn)稱ROV)是的重要組成部分。本文分別從材料選擇和框架形式選擇方面,對(duì)載體框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。借助simulation對(duì)載體框架進(jìn)行了分析。
水下機(jī)器人;載體框架;框架設(shè)計(jì)
海水中含有大量腐蝕電離子,因此載體框架應(yīng)具有良好的耐疲勞性、耐腐蝕性和耐沖擊性,并且ROV在深水中工作需要承受較大的水壓,因此需要足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1]。在ROV中常作為框架的材料有鋁合金、鋼材和鈦合金。鋁合金是上世紀(jì)中葉迅速發(fā)展起來(lái),因其在抗腐蝕性和強(qiáng)度等方面的不俗表現(xiàn),在海洋領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鋼材同樣具備優(yōu)良的抗腐蝕性。鈦合金的加工工藝比較成熟,且具備較高的比剛度、比強(qiáng)度。在材料的選取中必須多加考量,為了更具體的比較各種材料的優(yōu)劣,表1列出了鋁合金、鋼材和鈦合金的定量比較。
由表1數(shù)據(jù)得知,鈦合金在抗壓方面表現(xiàn)最優(yōu),因此ROV框架以鈦合金材料為最佳。
表1 載體框架材料定量比較
對(duì)于TI-6Α1-4V鈦合金,其機(jī)械性能如下:
彈性模量:1.05E+11 N/m2
泊松比:0.31
抗剪模量:4.1E+10 N/m2
質(zhì)量密度:4428.78 Kg/m3
張力強(qiáng)度:1050000000 N/m2
屈服力:827370880 N/m2
熱導(dǎo)率:6.7 W/(m·K)
比熱:586.04 J/(kg·K)
參考國(guó)內(nèi)外成熟的框架設(shè)計(jì)成品,以及根據(jù)任務(wù)的具體要求,本次設(shè)計(jì)的ROV為開(kāi)架結(jié)構(gòu)。載體框架在ROV中的作用,相當(dāng)于人體的骨架,需要在上面安裝不同的設(shè)備,并且在ROV的下放和收回過(guò)程中的作用力,都是有載體框架來(lái)承受。因此載體框架穩(wěn)定性和耐用性至關(guān)重要[2]。設(shè)計(jì)要求需要滿足以下條件:
①載體框架應(yīng)盡量滿足如下要求:②水下運(yùn)動(dòng)性好,阻力較小,易用工作;③具有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度;④空間布局合理,便于擺放儀器和設(shè)備;⑤加工性能好,經(jīng)濟(jì)適用;⑥減少不必要的重量;
設(shè)計(jì)出的載體框架和整體ROV的結(jié)構(gòu)圖分布如圖1和圖2所示。
由于本文ROV的建模是在SolidWorks中完成的,并且SolidWorks中也自帶了simulation的仿真設(shè)計(jì)軟件,可以非常方便地進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加應(yīng)力和查看結(jié)果。ROV的簡(jiǎn)化框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。通過(guò)simulation的運(yùn)算,計(jì)算出位移等值線結(jié)果,結(jié)果如圖4所示。
由結(jié)果可知,載體框架的位移變形最大值也不過(guò)0.715um,可以忽略不計(jì),因此框架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了保證。
[1]宋輝.ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué),2008.
[2]吳丙偉.淺水觀察級(jí)ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].中國(guó)海洋大學(xué),2013.
10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.165