基于ANSYS的迎流裝配小車設計與分析

趙嘉媛，李強兵

（1.湖北三峽職業技術學院機電工程學院，湖北宜昌443002；2.中國船舶重工集團第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

基于ANSYS的迎流裝配小車設計與分析

趙嘉媛1，李強兵2

（1.湖北三峽職業技術學院機電工程學院，湖北宜昌443002；2.中國船舶重工集團第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

隨著水下機器人結構日益復雜，對各艙段裝配精度要求也隨之提高，在大型、重型水下機器人的組裝過程中，各密封艙段往往需要由各種多自由度的裝配臺車支撐，從而完成裝配。迎流裝配小車是水下航行器裝配臺架的重要組成部分，作為迎流耐壓殼體的主要承力結構件，其承受了較大載荷，必須對其進行強度和剛度分析。由于該迎流段裝配小車結構形式復雜，傳統理論計算準確性較低，因此，應用有限元分析軟件對該小車進行了分析。在設計時，對裝配小車進行了有限元建模、加載、強度分析及剛度分析，獲得了迎流段裝配小車的應力情況和變形情況，為其結構設計提供了重要理論依據。

ANSYS；有限元分析；結構設計；裝配小車

隨著海洋資源開發的不斷深入，目前，水下航行器，特別是無人水下航行器（Unnamed Underwater Vehicle，UUV）越來越商業化、市場化，UUV可以承擔的任務也越來越多，水下機器人逐漸向大型化、重型化、大深度發展。

迎流裝配小車是水下航行器裝配調試臺架的重要組成部分。為了滿足迎流耐壓殼體外形的共形需要和裝配需求，迎流裝配小車設計有升降調節、俯仰調節、徑向調節及沿軸向移動和旋轉等功能，結構復雜。在結構設計常規情況下，為了保證零部件能安全、可靠，設計人員根據確定的設計準則（比如強度準則、剛度準則、壽命準則、振動穩定性準則、可靠性準則等）使用傳統理論進行設計和分析。但對于迎流裝配小車等較為大型、復雜的結構組件，傳統理論分析的準確性較低、計算過程煩瑣，導致計算耗時較長，有時由于結構太過復雜甚至無法進行傳統設計和分析，目前，一般采用有限元分析軟件完成設計分析過程。

本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、強度分析和剛度分析，獲得迎流裝配小車的應力情況和變形情況，為其結構設計提供重要的理論依據。

1 迎流裝配小車設計

迎流耐壓殼體模型如圖1所示，殼體為加肋薄壁結構，迎流段臺車主要由升降支頂、俯仰支頂、徑向調整機構、升降機構、俯仰調節機構、鎖緊機構、車輪底座及箍帶等組成。迎流裝配小車前端單獨設置有升降機構（俯仰調節機構，為梯形牙絲桿螺母副傳動），可以使迎流段實現俯仰動作，其結構簡圖如圖2所示，三維模型如圖3所示。

2 迎流裝配小車強度分析

艏部迎流段臺車按承載500 kg設計，其有限元分析模型如圖4所示。按兩支頂均承載500 kg加載，RP-3、RP-4為被試品重心位置，RP-1、RP-2為支頂受力點，其有限元計算模型如圖4所示。

圖1 迎流耐壓殼體模型

圖2 迎流裝配小車簡圖模型

在有限元計算中取單位量級為N、m、Pa、kg，對艏部迎流段臺車進行計算分析，考核支頂、車架結構強度，如圖5、圖6所示。由圖5可知，支頂最大應力為127 MPa，為建模時形成的應力集中點，整個支頂應力為85～95 MPa，按普通鋼Q235屈服應力235 MPa計算，安全系數大于2，滿足強度要求。

圖3 迎流裝配小車三維模型

圖4 迎流裝配小車有限元計算模型

由圖6可知，車架最大應力小于90 MPa，按普通鋼Q235屈服應力235 MPa計算，安全系數大于2，滿足強度要求。

圖6 迎流裝配小車車架應力

3 迎流裝配小車剛度分析

由圖7可知，支頂最大變形為2.8 mm，發生在俯仰支頂支輪處，而俯仰支頂實際受載時遠小于500 kg，因此，俯仰支頂實際變形遠小于2.8 mm，滿足剛度使用要求。

圖7 迎流裝配小車支頂變形

圖8 迎流裝配小車車架變形

由圖8可知，車架最大變形小于1.3 mm，發生在俯仰支頂支撐處，而俯仰支頂實際受載時遠小于500 kg，因此，實際變形遠小于1.3 mm，滿足剛度使用要求。

4 結束語

本文介紹了一種迎流裝配小車，解決迎流裝配小車設計有升降調節、俯仰調節、徑向調節及沿軸向移動和旋轉等功能需求，為水下機器人裝配提供了多自由度調整、精確裝配的裝配臺架。運用Creo軟件建立了導軌平臺的三維模型，模型簡化后導入ANSYS軟件中進行了應力分析和剛度分析。本文裝配小車已在某水下機器人裝配臺架中實際應用，經加載試驗和使用驗證，其強度及剛度滿足設計要求，使用安全可靠。

［1］方勇，熊傳志.基于ANSYS的迎流段耐壓殼體強度與穩定性分析［J］.機械工程與自動化，2015（04）.

［2］許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［3］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2003.

〔編輯：張思楠〕

TP319.7

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.106

2095－6835（2017）16－0106－02