水下機器人載體框架的設(shè)計和檢驗

申強龍

（杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310018）

水下機器人載體框架的設(shè)計和檢驗

申強龍

（杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310018）

載體框架是有纜無人水下機器人（簡稱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，對載體框架進(jìn)行了設(shè)計。借助simulation對載體框架進(jìn)行了分析。

水下機器人；載體框架；框架設(shè)計

1 材料選擇

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，因其在抗腐蝕性和強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

對于TI-6Α1-4V鈦合金，其機械性能如下：

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）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考國內(nèi)外成熟的框架設(shè)計成品，以及根據(jù)任務(wù)的具體要求，本次設(shè)計的ROV為開架結(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的下放和收回過程中的作用力，都是有載體框架來承受。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水下運動性好，阻力較小，易用工作；③具有足夠強的強度和剛度；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。

3 強度與剛度校核

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的簡化框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。通過simulation的運算，計算出位移等值線結(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0.715um，可以忽略不計，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ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真［J］.中國海洋大學(xué)，2013.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.165