面向海洋牧場(chǎng)的水下機(jī)器人強(qiáng)度校核

卓悅悅，高潔，許煒燦，樸金寶

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

近年來隨著水下機(jī)器人在海洋牧場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用，常規(guī)水下機(jī)器人的潛航深度已經(jīng)不能滿足航行任務(wù)的需要。發(fā)展大深度的水下機(jī)器人逐漸被各國(guó)重視起來[1]。但隨著水下機(jī)器人潛航深度的增加，耐壓殼體的承壓能力問題也就越來越突出。迎流耐壓殼體是水下航行器的重要承壓部分，必須對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。近年來，國(guó)內(nèi)外許多優(yōu)秀學(xué)者對(duì)水下機(jī)器人耐壓殼體進(jìn)行了大量的強(qiáng)度計(jì)算與優(yōu)化，為我們校核水下機(jī)器人的強(qiáng)度提供了經(jīng)驗(yàn)。如何雪浤[2]等應(yīng)用有限元和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及全面的結(jié)構(gòu)分析。陳永華等[3]將AUV 模型前部設(shè)計(jì)成具有正高斯曲率的橢球面，相對(duì)于平端面提升了耐壓性能?；谇叭私?jīng)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款面向海洋牧場(chǎng)的水下機(jī)器人，其耐壓前罩殼體的受力相對(duì)要大一點(diǎn)，所以該項(xiàng)目選取水下機(jī)器人的耐壓前罩殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析。

該文采用有限元分析軟件ANSYS，通過建立合理的有限元模型、加載、分析強(qiáng)度，獲得迎流耐壓殼體的應(yīng)力情況，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

1 概念設(shè)計(jì)

1.1 外觀設(shè)計(jì)

目前，主流的ROV 主要造型有3 種：框架型、流線型、混合型。這3 種外觀造型各有千秋，能夠適應(yīng)不同的水域環(huán)境。該項(xiàng)目研制的水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用流線型，這樣的設(shè)計(jì)既保證了縱橫向水流對(duì)水下機(jī)器人的影響最小，又能減少船體的重量，還可以提升整體的美觀。小型水下機(jī)器人在左右側(cè)各設(shè)計(jì)了一個(gè)水平推進(jìn)器及在尾部設(shè)計(jì)一個(gè)垂直推進(jìn)器作為它的主要推動(dòng)設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)可以有效地減少水下機(jī)器人在水中前行時(shí)的阻力，提高它的航行速度。水平推進(jìn)器和尾部垂直推進(jìn)器中間夾著設(shè)備艙，設(shè)備艙是前罩為圓弧狀、殼體為圓柱體的密封空間，所有的電子設(shè)備都被安裝在設(shè)備艙中，內(nèi)部還裝有一塊4 串1 并的鋰電池。在設(shè)備艙外部用自制的3D 打印機(jī)打印了外板固定設(shè)備艙和推進(jìn)器[4]。圖1 所示為水下機(jī)器人三維設(shè)計(jì)整體效果圖。

圖1 三維設(shè)計(jì)整體效果圖

1.2 工作方式

水域環(huán)境復(fù)雜、水流速度快、潛水人員體力有限等因素都易導(dǎo)致水下作業(yè)受阻，水深若是超過30 m 其安全風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)更大。水下機(jī)器人可在工作人員在不用下水的情況下，完成許多水下作業(yè)，如水下捕撈、水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下視頻觀測(cè)和水下目標(biāo)定位等。

水下機(jī)器人由兩部分組成。一是水下部分，包括四個(gè)推進(jìn)器、一個(gè)高清攝像頭、聲吶系統(tǒng)、水下照明設(shè)備等；二是水上部分，信號(hào)控制終端通過臍帶纜與水下機(jī)器人互聯(lián)互通，為其提供控制信號(hào)，水下機(jī)器人所采集的視頻信號(hào)和傳感器信號(hào)也將通過臍帶纜傳輸回控制終端。

同時(shí)，海洋牧場(chǎng)的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)有自主規(guī)劃路徑系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)[5]，保證了水下機(jī)器人在水中穩(wěn)定地航行和檢測(cè)水下環(huán)境，其中自主設(shè)計(jì)的高清攝像頭可清晰地拍攝水下周圍環(huán)境。

2 迎流耐壓殼體有限元分析

2.1 建模

應(yīng)用有限元軟件ANSYS 對(duì)水下機(jī)器人的耐壓殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，首先我們建立了耐壓殼體前罩模型。據(jù)分析可知，前罩部分的受力最大，這部分滿足強(qiáng)度要求可代表水下機(jī)器人的耐壓殼體滿足強(qiáng)度要求。這樣既可以縮小計(jì)算規(guī)模，也不會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成較大的影響。

我們采用三維輔助設(shè)計(jì)軟件如Solidworks 建立幾何模型，然后通過輸入接口導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中，采用ANSYS 軟件完成分析過程[6]。迎流耐壓前罩殼體的初始模型如圖2 所示，其殼體為半圓形薄壁結(jié)構(gòu)，殼體壁厚為5 mm，端蓋厚度為5 mm。耐壓殼體選用有機(jī)玻璃加工制造，密度為1.19 kg/cm3，楊氏模量3E+09pa，泊松比為0.33，沖擊強(qiáng)度≥16 kg/cm3，拉伸強(qiáng)度≥61 kg/m3。將迎流耐壓殼體的端蓋模型導(dǎo)入ANSYS 平臺(tái)后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，起初我們嘗試采用自由網(wǎng)格劃分，由ANSYS 軟件自主生成，操作方便。但是自由劃分的網(wǎng)格在前罩殼體的螺紋孔處計(jì)算結(jié)果有較大的誤差，為了減少誤差，我們采用Solid186 單元?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格，其單元總數(shù)為24 715，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1 105 502。

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件的確定是根據(jù)球體幾何結(jié)構(gòu)來添加載荷與支撐邊界條件。在球頭施加載荷壓力，根據(jù)迎流耐壓殼體的實(shí)際工作水深，同時(shí)考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，在耐壓殼體外表面施加3 MPa 的壓力。固定支撐是在尾部法蘭端面加固定約束，迎流耐壓殼體端蓋有限元模型如圖3、圖4 所示。

圖3 載荷壓力

圖4 固定支座

2.3 迎流耐壓殼體的強(qiáng)度分析

使用ANSYS Workbench 進(jìn)行仿真計(jì)算，在很大程度上減小了工程難度，由于其具有分析計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確、計(jì)算過程便捷等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以極大提高工作效率，還使過程更簡(jiǎn)捷化。

相對(duì)應(yīng)地，ANSYS 有4 種應(yīng)力工具：最大等效應(yīng)力工具，最大剪切應(yīng)力工具，摩爾庫(kù)倫應(yīng)力工具，最大拉應(yīng)力工具。前兩種主要評(píng)估韌性金屬材料強(qiáng)度，后兩中主要評(píng)估脆性材料強(qiáng)度。我們采用第四強(qiáng)度理論（又稱最大形狀改變比能理論），也就是我們常用的等效應(yīng)力，由下式表示：

這一理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。我們?nèi)∏罢謿んw上的一點(diǎn)切成微小正六面體進(jìn)行單元應(yīng)力分析，如果受應(yīng)力最大點(diǎn)的主力方向的應(yīng)力小于許用應(yīng)力[σ]，則不會(huì)發(fā)生破壞。

ANSYS 軟件的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算固定不變載荷或近似為等價(jià)靜力隨時(shí)間變化的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的總變形，等效彈性應(yīng)變，等效應(yīng)力等。迎流耐壓殼體整體總變形如圖5 所示，等效彈性應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，等效應(yīng)力如圖7 所示。通過圖7 所示，最大等效應(yīng)力為0.4 Mpa，發(fā)生在前法蘭與殼體連接處，未超出材料許用應(yīng)力，所以滿足要求。通過圖5 所示，變形可得最大變形0.27 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 迎流耐壓殼體整體總變形

圖6 等效彈性應(yīng)變

圖7 等效應(yīng)力

3 結(jié)論

運(yùn)用Solidworks 軟件建立了迎流耐壓殼體的三維模型，模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入 ANSYS 軟件中進(jìn)行了強(qiáng)度分析。通過有限元分析軟件Workbench 仿真，對(duì)水下機(jī)器人有機(jī)玻璃殼體進(jìn)行有限元分析，得到理想的仿真結(jié)果，這對(duì)于水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，提高其耐壓性能有著重要意義，是既經(jīng)濟(jì)又有效的科學(xué)化方法。該文迎流耐壓殼體已在某水下航行器模型中實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)外壓試驗(yàn)和湖試驗(yàn)證，其耐壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，使用安全可靠。