機器魚殼體三維建模及有限元分析

王衛兵，牛健文，晁貫良

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子 832000）

0 引言

隨著科學的進步，在各領域中，機器人的運用和研制越來越受到重視，特別是能在水中游動的機器魚。由于陸上資源的日益緊缺，海洋成為了人類獲取能源、礦產、生物等資源的重要空間。為了協助人類更好的探索水下的世界，人們研究了多種適應水環境的水下機器魚。目前對于魚類推進理論模型、仿生機器魚機械結構、推進速度等方面的研究已在眾多文獻中涉及，但是對于機器魚在不同水深時的受力情況，還很少有文獻提及[1-4]。本文首次從應力的角度，模擬出殼體在不同水深的應力分布狀況，計算出殼體滿足強度要求的最大水深，為探討機器魚的下潛深度提供了一種方法。

1 機器魚殼體CAD模型的建立

為了研究機器魚殼體的實際受力情況，計算工作載荷下的應力和變形，進一步優化設計結構，需建立殼體的三維模型進行有限元計算分析。實際上，殼體設計問題往往是非常復雜的，形狀各異，復雜的計算模型雖然具有較高的準確性，但會相應地增加計算時間，降低工作效率，因此就要求在建立計算模型過程中，把模型進行適當簡化和抽象[5-6]。

基于SolidWorks機器魚殼體的建模方法如下，如圖1所示：

步驟一：拉伸。繪出機器魚殼體的草圖（兩個半橢圓組成），拉伸為不對稱橢圓形柱體；

步驟二：兩次旋轉切除。在草繪平面中繪制截面圖，利用旋轉切除的方法，分別旋轉90°切出殼體前端的上下兩個曲面；

步驟三：抽殼。選擇抽殼的基準面，輸入厚度5mm，進行抽殼；

步驟四：拉伸切除。選擇基準面繪制草圖，然后通過拉伸切除的方法，獲得最終模型。

2 建立機器魚殼體模型的CAE模型

2.1 機器魚殼體CAD模型的導入

通過SW完成了殼體的三維建模之后，可以通過調用相關接口程序將該模型直接轉換成ANSYS可以識別的文件格式。SAT是一種普遍接受的中間標準格式，用來在不同的CAD和CAE系統之間進行數據轉換。在SW中建立的文件另存為SAT格式，再用ANSYS中File/Import以Normal Faceting將存的.sat文件導入，可得到準確的三維模型[7-9]。

2.2 材料參數

定義殼體選用LY12材料。LY12是一種高強度硬鋁，可進行熱處理強化和變形強化；因為本身的抗蝕性不高，所以采用陽極氧化處理與涂漆方法以提高其抗腐蝕能力[10]。經淬火、自然時效狀態下LY12材料的主要力學性能如表1所示：

表1 LY12材料的各項指標

2.3 網格劃分

因為SOLID45是一個八節點六面體實體單元，適用于CAD/CAM中不規則的復雜模型，該單元有8個節點，每個節點有3個自由度，單元具有大變形、大應變、塑性以及蠕變等功能。因此選擇單元庫中structural solid中的Brick 8node 45為殼體的實體單元。為了劃分出高質量的網格，在劃分網格之前，利用布爾操作將模型切分成12部分。模型的節點總數為4021個，單元總數為11936個。

2.4 載荷的施加

機器魚殼體尺寸相對下潛水深很小，簡化為同一水深，以便于力學分析和校核。機器魚殼體變形隨下潛深度而變化，當水深為h時，其壓力為ρgh。取h＝10m，可得P＝98000Pa，載荷的方向均指向殼體的法面方向。

2.5 邊界條件

由于機器魚的頭部與尾部相接的部位是與一塊比較厚的鋁板連接在一起的，這塊比較厚的鋁板所能承受的力要遠大于機器魚的殼體，所以在此直接使頭部與尾部相接的整個面完全約束。如圖2所示。

3 力學分析與強度校核

3.1 力學分析

當取水深為10m時，通過ANSYS軟件分析，得出節點等效應力等值線圖，由圖3得出殼體的最大變形位移為3.46E-05m；節點等效最大應力為11.0MPa。

3.2 力學強度校核

目前一般機械制造中，在靜載荷的情況下，對塑性材料的安全因數可取ns=1.2 2.5。因為LY12為塑性材料，在本文中取 ns=2.2 。對沒有明顯屈服極限的塑性材料，可以將產生0.2%塑性應變時的應力作為屈服指標，所以 [] =s/ ns=0.2/ns=147.73Mpa。碳鋼、銅、鋁等塑性材料，通常以屈服的形式實效，宜采用最大切應力理論和畸變能密度理論來校核[7]。

進入ANSYS的通用后處理器模塊中，單擊Nodal Solution命令，打開節點應力輸出表，找到最大等效應力點為449。該節點的主應力為：

所以，機器魚殼體滿足第三和第四強度理論的強度條件。說明機器魚在水深10m處的時候，殼體足夠安全。

根據上述計算結果，再次通過ANSYS軟件進行分析。在分別選取水深為85m和110m的情況下，利用上述公式進行驗證校核。加載和約束的方法同上，并得出相應的應力圖，如圖4、5所示。

在水深85m 110m之間選取幾種情況，加載和約束的方法同上，經整理，得出相應的數據，其結果如表2所示。

從表2可以看出，當水深小于104m時，殼體可以保證其強度要求。而當水深為105m時，最大單元等效應力大于YL12的許用應力，此時機器魚殼體已不再安全。

表2 ANSYS結構力學分析結果

4 結論

通過在SolidWorks中對機器魚殼體進行三維建模，導入ANSYS中進行網格劃分、施加載荷分析后，得到殼體在不同水深處的應力分布狀況，

揭示出了殼體在水中承載時的應力分布規律和變形情況。盡管殼體校核需要考慮的因素很多，模擬現實也并非100%，但畢竟為解決純理論校核定性不能定量的問題、為實現數字化設計提供了一個途徑。因此，提出的校核方法具有較強的實際使用價值。

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