海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙力學(xué)特性分析*

楊 洋 ， 祁 敏 ， 董蘇德 ， 周陳炎

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226000）

0 引言

海洋牧場(chǎng)作為適合海洋生物生長(zhǎng)和繁衍的人工“漁場(chǎng)”，需要隨時(shí)留意區(qū)域內(nèi)生物的一舉一動(dòng)[1]。在早期，對(duì)于海洋牧場(chǎng)的監(jiān)控往往依靠潛水員，但潛水員長(zhǎng)期在海底工作加上受到相應(yīng)壓強(qiáng)的作用，安全系數(shù)并不高，且人力成本也較大[2]。目前，隨著科技的發(fā)展，海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人已經(jīng)開始慢慢代替潛水員在深水中長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，并廣泛應(yīng)用于軍、民領(lǐng)域[3-4]。某海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人及水下監(jiān)測(cè)情況，如圖1所示。

圖1 某海洋牧場(chǎng)巡檢機(jī)器人及監(jiān)測(cè)畫面

耐壓艙作為海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人主要元件的安裝空間及水下壓強(qiáng)的承壓結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)就需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，以保證其在運(yùn)作過程中不發(fā)生故障及損壞。課題組基于有限元法對(duì)已設(shè)計(jì)完畢的海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，保證其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。同時(shí)，考慮到水下機(jī)器人在工作時(shí)，由于各元件的運(yùn)行及外力作用而導(dǎo)致耐壓艙發(fā)生共振問題，對(duì)此巡檢機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行模態(tài)分析，以避免發(fā)生共振效應(yīng)。

1 海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

課題組設(shè)計(jì)的海洋牧場(chǎng)水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用飛魚型結(jié)構(gòu)，相較于一般的流線型結(jié)構(gòu)，具有能耗低、運(yùn)動(dòng)靈活、綜合效率高及阻力小等特點(diǎn)[5-6]。該水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由航行體、飛翼、螺旋槳及固定裝置組成。內(nèi)部舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)，耐壓艙內(nèi)部放置攝像監(jiān)控設(shè)備及傳輸數(shù)據(jù)設(shè)備等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋牧場(chǎng)生物及環(huán)境的監(jiān)測(cè)。該機(jī)器人總長(zhǎng)為756 mm，總寬為918 mm，具體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。水下機(jī)器人耐壓艙材料采用2024鋁合金，厚度為12 mm，具體參數(shù)如表1所示。

表1 2024鋁合金參數(shù)

圖2 海洋牧場(chǎng)巡檢水下機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙強(qiáng)度計(jì)算

為確保水下機(jī)器人工作時(shí)的安全性，防止因外力過大而導(dǎo)致的耐壓艙強(qiáng)度不足問題，課題組基于有限元法，利用Ansys Workbench軟件對(duì)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行強(qiáng)度直接計(jì)算，并將其結(jié)果與規(guī)范值進(jìn)行比較，確保其滿足強(qiáng)度要求。

2.1 網(wǎng)格劃分及約束條件

將1∶1的耐壓艙三維模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，考慮到耐壓艙模型整體并不大，故采用節(jié)點(diǎn)更多、精度更高的Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，示意圖如圖3所示。

圖3 耐壓艙網(wǎng)格劃分示意圖

水下機(jī)器人約束條件施加參考《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》[7]，以耐壓艙中面為對(duì)稱面進(jìn)行對(duì)稱面約束，側(cè)面施加位移約束（UX、UY、UZ）。外載荷僅考慮水壓力作用，根據(jù)該水下機(jī)器人的使用需求，最大深潛高度為100 m，其外載大小依據(jù)式（1）：

式中：ρ為耐壓艙密度；g為重量加速度；h為下潛深度；n為安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范n=1.5[7]。

約束條件及載荷施加示意圖如圖4所示。

圖4 約束條件施加示意圖

2.2 耐壓艙強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

基于Ansys Workbench對(duì)耐壓殼進(jìn)行屈服強(qiáng)度及剛度計(jì)算，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 耐壓殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果

圖6 耐壓殼結(jié)構(gòu)剛度有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖5的有限元計(jì)算結(jié)果，耐壓艙最大應(yīng)力值為96.01 MPa，根據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》[7]，其許用強(qiáng)度公式見式（2）：

依據(jù)式（2），許用強(qiáng)度[σ]=246.5 MPa，耐壓艙最大應(yīng)力值（96.01 MPa）小于許用值，故該耐壓艙強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)圖6的計(jì)算結(jié)果，耐壓艙的最大變形量為0.028 5 mm，鋁合金材料延展率δ=11%，故該水下機(jī)器人耐壓艙的剛度也滿足規(guī)范使用要求。

3 海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙振動(dòng)特性分析

由于各元件的運(yùn)作、外載的作用及螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，可能會(huì)使機(jī)器人耐壓艙產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工作性能[8]。故對(duì)耐壓艙進(jìn)行設(shè)計(jì)及力學(xué)特性分析時(shí)，除了要考慮強(qiáng)度和剛度的要求外，還要考慮水下巡檢機(jī)器人的振動(dòng)特性，避免在工作時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象[9-10]。故課題組基于Ansys Workbench對(duì)該機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行模態(tài)分析，得出固有頻率和振型來分析振動(dòng)特性，以判別設(shè)計(jì)是否需要改進(jìn)。

利用Ansys的modal進(jìn)行模態(tài)分析，約束條件選擇底部固定約束，得出該耐壓艙的前6階固有頻率和相應(yīng)振型。前6階固有頻率結(jié)果如表2所示，相應(yīng)振型如圖7至圖10所示（因篇幅限制只給出第1階、第4～6階）。

圖7 耐壓艙第1階振型

圖10 耐壓艙第6階振型

表2 水下機(jī)器人耐壓艙模態(tài)分析結(jié)果

圖8 耐壓艙第4階振型

圖9 耐壓艙第5階振型

外部激勵(lì)頻率依據(jù)文獻(xiàn)[4]可得，計(jì)算見式（3）：

式中：k為剛度系數(shù)，m為質(zhì)量。

剛度系數(shù)k的求解，通過在有限元軟件中施加1 N的進(jìn)行剛度計(jì)算得到，變形量為0.13×10-9m，故最終的外部激勵(lì)頻率f=3 672.3 Hz。由表2模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果可得，此耐壓艙固有頻率范圍為626.41 Hz～ 2 981.3 Hz，遠(yuǎn)小于外部激勵(lì)頻率。故此耐壓艙并不會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)語

課題組通過對(duì)海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行力學(xué)特性分析，可以得到如下結(jié)論：

1）該海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙的強(qiáng)度及剛度滿足規(guī)范要求，可安全使用。同時(shí)，耐壓艙前6階固有頻率遠(yuǎn)小于外部激勵(lì)頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振，設(shè)計(jì)基本合理。

2）從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算可以看出，耐壓艙最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，留有較大的安全裕度，故此機(jī)器人耐壓艙可以進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以節(jié)省成本。