觀察級ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

（西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021）

0 引言

爭奪海洋資源成為了這幾年的焦點(diǎn)，由于人類無法親自對深海進(jìn)行探測和開發(fā)，因此我們就需要借助各種高技術(shù)的工具、手段來認(rèn)識海洋和探索海洋空間。探索海洋空間必不可少的重要工具之一就是水下機(jī)器人[1]，有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）在水下探索、水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)打撈等領(lǐng)域具有非常廣闊的前景和重要的意義。本文目的在于設(shè)計(jì)并研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、應(yīng)用于淺水水域的水產(chǎn)養(yǎng)殖及漁業(yè)打撈的小型模塊化ROV系統(tǒng)。在研究現(xiàn)有ROV的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和工作環(huán)境等因素，設(shè)計(jì)了一款淺水觀察級ROV。該ROV的結(jié)構(gòu)選定為開架式結(jié)構(gòu)，利用鋁合金材料構(gòu)成的整體框架，使得框架有足夠的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)，也有較大的內(nèi)部空間。

1 ROV系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ROV系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、地面操控箱和纜線組成，為了增強(qiáng)檢查效果，特配備視頻眼鏡。其中，機(jī)器人本體部分包括耐壓艙體、照明和觀測模塊、傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信等；地面操控系統(tǒng)包括顯示屏、操作手柄、狀態(tài)指示、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理軟硬件系統(tǒng)等；使用纜線將地面操控臺和水下機(jī)器人本體連接，地面操控臺通過臍帶纜將控制指令發(fā)送給機(jī)器人本體，并且收集機(jī)器人拍攝到的視頻信息和傳感器的信息[2]。ROV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 ROV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 ROV本體的組成

耐壓艙體、照明和觀測模塊、傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)共同構(gòu)成了ROV的本體。本體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 本體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.1 耐壓艙體

耐壓艙由半球罩、艙體和后蓋組成。它里面有攝像頭、檢測儀器、電子通訊設(shè)備和電路板等非承壓非耐水構(gòu)件，必須密封防水。因此，耐壓艙的強(qiáng)度和水密性是ROV下水的關(guān)鍵。耐壓殼體有密閉的空間，能提供浮力，耐壓艙的質(zhì)量與ROV本體的總質(zhì)量的比值要盡量小，故耐壓艙的材料選用有機(jī)玻璃。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

動力推進(jìn)系統(tǒng)是由ROV本身攜帶的電池倉部分和推進(jìn)器部分組成的。電池倉位于耐壓艙下部，兩側(cè)對稱安裝與框架上，電池倉自帶電池為ROV水下提供電力。推進(jìn)器部分由兩個(gè)水平推進(jìn)器和兩個(gè)豎直推進(jìn)器對稱安裝。

2.3 照明和觀測系統(tǒng)

在光線充足的陸地上攝像機(jī)拍攝視頻很容易，而在光線特別稀少的水里，不能拍攝到清晰的視頻，需要增加光線強(qiáng)度，因此，在機(jī)器人上安裝了LED燈和攝像頭。當(dāng)光線不足時(shí)，打開LED燈，能夠?yàn)閿z像機(jī)提供充足的光，采集到的圖像就能滿足要求，將攝像機(jī)收集到的圖像通過纜線傳送到地面控制臺顯示屏顯示，當(dāng)對某些特別重要的圖像需要保存時(shí)，使用機(jī)器人自帶的錄像模塊進(jìn)行記錄。

2.4 傳感器檢測系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)由電子羅盤、深度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器組成。地面控制臺負(fù)責(zé)接收通過纜線傳遞的傳感器監(jiān)測到的壓力、溫度、深度和航向等信息。

3 校核與仿真分析

3.1 框架的校核與分析

框架是各種零件和設(shè)備的載體，結(jié)構(gòu)的可靠性是保證ROV正常工作的前提。對于框架沒有較好的經(jīng)驗(yàn)公式和理論規(guī)范來計(jì)算，只能依靠軟件進(jìn)行分析。用三維建模軟件SolidWorks對本文的ROV進(jìn)行整體建模，并將框架模型導(dǎo)入Ansys中，進(jìn)網(wǎng)格劃分、施加載荷與約束和進(jìn)行運(yùn)算[3]。ROV的極限深度為50米，受到的壓力是0.5Mpa，仿真中壓力輸入值即0.5Mpa。將所產(chǎn)生的力簡化成集中力施加到相應(yīng)的接觸面上，得到圖3所示的應(yīng)力分析云圖和圖4所示的總變形分析云圖。仿真結(jié)果顯示，框架的最大應(yīng)力為4.9182MPa，最大位移為0.01782mm，滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。

3.2 艙體的校核

3.2.1 艙體的壁厚校核

圖3 應(yīng)力分析云圖

圖4 總變形分析云圖

有機(jī)玻璃的透光率比較高，機(jī)械強(qiáng)度也很高，可以塑性變形、低彈性模數(shù)，可重新分配應(yīng)力以及允許局部屈服等都是有機(jī)玻璃的優(yōu)點(diǎn)；而且有機(jī)玻璃在大量破壞前會變成半透明或出現(xiàn)很多裂紋，可以提供使用者即將壽命到期的線索信息。因此選用無色透明的亞克力作為耐壓艙體的材料。表1所示為亞克力材料的力學(xué)性能參數(shù)。

表1 亞克力的力學(xué)性能參數(shù)

考慮到真實(shí)的水下工作環(huán)境的影響，為了ROV的使用安全性，初步取密封艙殼體的厚度為4mm。ROV潛入水中的深度為50米時(shí)，依據(jù)勞氏規(guī)范安全系數(shù)至少2.5[4]。

令δ=4mm，計(jì)算臨界壓力及安全系數(shù)如式：

考慮上述計(jì)算結(jié)果，中間筒體設(shè)計(jì)為：外徑等于130mm，壁厚等于5mm，長度為230mm。內(nèi)徑120mm。即5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m的環(huán)境下能保證艙體結(jié)構(gòu)的安全。

3.2.2 艙體的強(qiáng)度校核

經(jīng)過對艙壁的設(shè)計(jì)，使得達(dá)到指定的強(qiáng)度和剛度后，讓艙體的分量最小。由于δ=5mm，即外徑D=130mm，依據(jù)毀壞結(jié)果，將受外力的圓柱形殼體分為長圓筒、短圓筒，其判斷公式為(1)：

圓筒長度為L=230m，顯然：Lcr＞L，因而，能夠判斷該設(shè)計(jì)的殼體是短圓筒類型。

有許多解算公式能夠得出短圓筒的臨界壓力，但米塞斯（Mises）公式是應(yīng)用最普遍的式[5]，式(2)：

式中：Pcr為壁厚為δ的耐壓艙筒體可以承受的臨界壓力；

E為PMMA的彈性模量；

R為密封艙筒體的半徑，R=D/2；

N為失穩(wěn)波數(shù)；

L為耐壓艙筒體的長度；

μ為PMMA的泊松比。

簡化后，短圓筒的最小臨界壓應(yīng)力公式：

將已知量代入式(4)，計(jì)算耐壓艙殼體的最小臨界壓應(yīng)力如下：

由計(jì)算結(jié)果可知，耐壓艙殼體的應(yīng)力值為8.32MPa，而亞克力的許用應(yīng)力為22.5MPa，顯然，耐壓艙殼體的壓應(yīng)力小于許用應(yīng)力的值，即耐壓艙殼體的強(qiáng)度滿足要求。

3.2.3 艙體穩(wěn)定性校核

校核ROV的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)該使計(jì)算所得的ROV殼體的應(yīng)力小于材料所允許的許用應(yīng)力，而且還要保證ROV殼體的穩(wěn)定性滿足要求；否則殼體的失穩(wěn)將會產(chǎn)生巨大的彎曲應(yīng)力，而使密封電子艙受到破壞[6]。本文的穩(wěn)定性理論研究是基于能量法之中的比較常見的一種方法—李茨法，推導(dǎo)圓柱形耐壓殼體的穩(wěn)定性公式。

由于密封艙體為短圓筒。將尺寸參數(shù)代入式(3)，計(jì)算最小臨界壓力相應(yīng)波數(shù)如下：

取整后N=3。

按照ROV的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，最大潛水深度為50米時(shí)工作壓力為0.5MPa。類比工作深度與計(jì)算深度之間的關(guān)系，工作壓力與計(jì)算壓力的關(guān)系：

上面已經(jīng)計(jì)算5mm的耐壓艙殼體的臨界壓力為Pcr=1.27MPa＞Pj=1MPa，即ROV密封電子艙體的穩(wěn)定性符合要求，最小臨界壓力相應(yīng)的失穩(wěn)波數(shù)為3。

3.3 艙體仿真分析

ROV進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對工作深度和極限深度都有定義。在設(shè)計(jì)耐壓艙時(shí)，采用計(jì)算深度作為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算深度一般取工作深度的1.25～1.5倍。為對耐壓艙強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，使用Ansys對耐壓艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，50m水深下取最大值0.75MP，經(jīng)過分析，耐壓艙的應(yīng)力分析云圖和總變形分析云圖如圖5、圖6所示。

圖5 應(yīng)力分析云圖

圖6 總變形分析云圖

從圖中可以看出，最大應(yīng)力為9.7909MPa，位移最大變形量也不過0.094mm。

通過軟件分析，框架的最大變形量0.0182mm，可以忽略不計(jì)，不影響POV正常工作，最大應(yīng)力4.9182MPa遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力69MPa，故框架的強(qiáng)度和剛度滿足要求。5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m艙體結(jié)構(gòu)安全，理論計(jì)算耐壓艙體的應(yīng)力值為8.32MPa，軟件仿真仿真耐壓艙的最大應(yīng)力9.7909MPa，而亞克力的許用應(yīng)力為22.5MPa，顯然，耐壓艙體的壓應(yīng)力小于許用應(yīng)力的值，即耐壓艙殼體的強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于淺水水域的水產(chǎn)養(yǎng)殖及漁業(yè)打撈的小型模塊ROV系統(tǒng)，解決了淺水養(yǎng)殖相關(guān)應(yīng)用方面的難題。通過本體機(jī)械結(jié)構(gòu)，介紹了ROV本體各部分組成，闡述了各部分的功能和作用。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，從理論計(jì)算與有限元分析兩個(gè)方面入手，著重對框架結(jié)構(gòu)和耐壓艙的耐壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）通過仿真，框架在0.5MPa下，位移滿足安全性和穩(wěn)定性要求。

2）5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m的環(huán)境下能保證耐壓艙體結(jié)構(gòu)的安全。

設(shè)計(jì)的耐壓艙殼體的應(yīng)力值為8.32MPa，而亞克力的許用應(yīng)力為22.5MPa，顯然，耐壓艙殼體的壓應(yīng)力小于許用應(yīng)力的值，即耐壓艙殼體的強(qiáng)度滿足要求。

該研究為淺水觀察級ROV的實(shí)現(xiàn)鑒定了理論基礎(chǔ)，為框架式ROV的設(shè)計(jì)提供了有效的方法。