基于ANSYS的水下機(jī)器人框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析*

王光越

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

隨著全球海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，憑借著資本和技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)勢，越來越多優(yōu)秀的海工裝備進(jìn)入市場，提高海洋產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量。水下機(jī)器人作為海工裝備的一種，是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人，在海底光纜鋪設(shè)、水下管道檢查及海底地質(zhì)勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

水下機(jī)器人目前在我國處于快速發(fā)展階段，國內(nèi)進(jìn)行水下機(jī)器人的單位較多，如上海交通大學(xué)、中科院沈陽自動化所、哈爾濱工程大學(xué)等?？蚣苄退聶C(jī)器人也是研究方向之一，其中代表性的如上海交通大學(xué)等單位聯(lián)合研制的海龍?zhí)柨蚣苄蚏OV等[2]?？蚣苁强蚣苄蚏OV的重要組成部分，是ROV的總承力部件，同時也在ROV總體重量中占據(jù)很大比例，因此如何實(shí)現(xiàn)ROV主體框架的高強(qiáng)度和輕量化設(shè)計(jì)一直是框架型ROV研究的方向之一。

ANSYS是美國PTC公司開發(fā)的一款有限元分析軟件，并與其它軟件有著良好的兼容性，在機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[3]。筆者通過建立ROV框架的三維模型，利用ANSYS對ROV框架進(jìn)行了受力分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了設(shè)計(jì)建議，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 設(shè)計(jì)方案

水下機(jī)器人是進(jìn)行水下作業(yè)設(shè)備的一種，水下機(jī)器人包括無纜機(jī)器人(AUV)和有纜機(jī)器人(ROV),無纜機(jī)器人具有移動靈活自由、航航速高的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是作業(yè)時間短。有纜機(jī)器人通過臍帶纜連接船電系統(tǒng)，通過船電為水下機(jī)器人提供能源，具有可長時間作業(yè)、功率大的特點(diǎn)[4]。文中研究的該款ROV主要搭載水下機(jī)械手、能源艙、控制艙等，配備四個垂直推進(jìn)器和兩個水平推進(jìn)器，ROV的浮力主要由上部的浮力材料提供。根據(jù)ROV尺寸重量設(shè)計(jì)了該款ROV的框架結(jié)構(gòu)部分，該款ROV的三維模型如圖1所示。

圖1 ROV三維模型 圖2 ROV框架模型

ROV框架的主體材料采用50×50×2的方形不銹鋼鋼管，整體結(jié)構(gòu)在具有抗腐蝕的同時，也具有足夠的強(qiáng)度。各個設(shè)備的安裝板采用50×50×3的等邊角鋼焊接在框架的底部。ROV框架作為框架型ROV設(shè)備中主要的承力部件，其強(qiáng)度和剛度應(yīng)能滿足使用要求。ROV框架的外形如圖2所示。

2 ROV框架有限元分析

ROV框架是整個機(jī)器人的承力結(jié)構(gòu)，受力點(diǎn)較多，受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了準(zhǔn)確分析ROV框架受力分析情況，本文將ROV框架劃分為三個區(qū)域分別進(jìn)行仿真。第一個區(qū)域是ROV主框架，ROV主框架整體拼焊成型，各個設(shè)備分布相對均勻。第二個區(qū)域時ROV橫梁，橫梁雖然與主框架焊接在一起，但屬于應(yīng)力集中的部位。第三個區(qū)域是吊鉤，吊鉤通過螺母與橫梁連接，是最終的受力點(diǎn)，屬于應(yīng)力集中部位。

ROV框架框架的主要材料均采用低磁不銹鋼，材料的主要性能指標(biāo)如下：

① 彈性模量(E/MPa)2.05E5

② 抗拉強(qiáng)度(σb/MPa)520

③ 屈服強(qiáng)度(σs/MPa)205

2.1 ROV主框架有限元分析

分析時，框架中方鋼和角鋼采用梁單元模擬，四個水平推進(jìn)器安裝板采用殼單元模擬。梁單元采用BEAM189；殼單元采用SHELL281。所有設(shè)備中，兩浮力塊的體積和質(zhì)量最大，為準(zhǔn)確模擬浮力塊對框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，把兩浮力塊分別簡化到重心位置，通過桿單元把質(zhì)量點(diǎn)和框架單元節(jié)點(diǎn)偶合。ROV主框架的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 ROV主框架網(wǎng)格模型 圖4 ROV主框架加載圖

利用ANSYS建立ROV框架的模型，根據(jù)個設(shè)備的位置和重量加載相應(yīng)的載荷。框架底部平面上，以掛吊中心點(diǎn)為原點(diǎn)，沿ROV前向?yàn)閄向，沿ROV豎直向上為Z向，根據(jù)右手法則，確定Y向建立坐標(biāo)系，確定各個設(shè)備的位置坐標(biāo)。各載荷質(zhì)量和位置如表1所示。

表1 ROV載荷分配表

根據(jù)載荷分配表，將各設(shè)備以簡化質(zhì)量點(diǎn)的形式加載在框架上。ROV主框架加載圖如圖4所示。

經(jīng)靜力計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果后處理，得到ROV主框架等效應(yīng)力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

圖5 ROV主框架等效應(yīng)力云圖 圖6 ROV主框架變形移云圖

從圖5中可以看出，R位OV框架最大的等效應(yīng)力為101 MPa。從圖6中可以看到，最大的變形量為3.7 mm。

2.2 橫梁強(qiáng)度分析

橫梁兩端通過焊接的方式與框架形成一體，是整個框架中受力最大的部位。橫梁方管采用截面為(50×50) mm，厚度為4 mm的型材。整體長度為500 mm，橫梁上加工有兩個距離為130 mm直徑為φ22 mm的孔，孔的下部焊有直徑為60 mm的墊片。橫梁強(qiáng)度計(jì)算通過有限元方法，利用WORKBENCH14.0平臺進(jìn)行仿真計(jì)算。對頂部橫梁應(yīng)力分析時，采用實(shí)體單元，劃分四面體網(wǎng)格，橫梁的網(wǎng)格模型如圖7所示，加載和約束如圖8所示。

圖7 頂部橫梁網(wǎng)格圖 圖8 頂部橫梁加載和約束

經(jīng)靜力計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果后處理，得到頂部橫梁等效應(yīng)力云圖如圖9所示，超出屈服極限點(diǎn)的位置如圖10所示。

圖9 頂部橫梁等效應(yīng)力云圖 圖10 頂部橫梁等效應(yīng)力超出材料屈服極限區(qū)域

從圖10中可以看出，頂部橫梁最大的等效應(yīng)力為238 MPa，超出材料屈服極限區(qū)域呈現(xiàn)點(diǎn)狀，主要是應(yīng)力集中區(qū)域，發(fā)生在墊片和橫梁的接觸位置。

2.3 吊鉤強(qiáng)度分析

吊鉤是ROV布放回收是直接的承力部位，屬于重要的結(jié)構(gòu)件。吊鉤的主體直徑為φ22 mm，底部通過兩個M20的螺母與框架的橫梁固定在一起。吊鉤強(qiáng)度計(jì)算通過有限元方法，利用WORKBENCH14.0平臺進(jìn)行仿真計(jì)算?？紤]到吊鉤結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，取吊鉤的1/4模型進(jìn)行仿真計(jì)算。采用實(shí)體單元，劃分四面體網(wǎng)格。吊鉤加載和約束如圖11所示。

圖11 吊鉤加載和約束圖 圖12 吊鉤等效應(yīng)力云圖

經(jīng)靜力計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果后處理，得到吊鉤等效應(yīng)力云圖如圖12所示，變形云圖如圖13所示。

圖13 吊鉤變形位移圖

從圖12、13中可以看出，吊鉤等效應(yīng)力最大值為167 MPa，屬于接觸應(yīng)力。吊鉤位移的最大變形值為0.13 mm，滿足使用要求。

3 結(jié) 論

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)了ROV主體框架，建立了框架三維模型。利用有限元分析軟件ANSYS 對ROV框架強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1) ROV主框架的整體最大等效應(yīng)力值為101 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)位移的分析結(jié)果，ROV主框架變形位移較大，后期設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整重心位置，優(yōu)化設(shè)備布局，確保起吊平衡。

(2) 橫梁最大等效應(yīng)力達(dá)到238 MPa，超出材料屈服極限區(qū)域主要為應(yīng)力集中區(qū)域。在設(shè)計(jì)后期，通過在橫梁下部加焊一塊6 mm厚的鋼板，改善橫梁的受力情況。

(3) 吊鉤最大等效應(yīng)力為167 MPa，設(shè)計(jì)安全可靠。

根據(jù)以上建議優(yōu)化了ROV設(shè)備布局，改進(jìn)了橫梁部位的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了樣機(jī)加工及裝配調(diào)試。在后期的湖試試驗(yàn)中，ROV布放回收時整體平衡性較好，ROV框架堅(jiān)固牢靠，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，并為后續(xù)水下機(jī)器人設(shè)備中框架結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。