基于斷裂行為的水下機器人抗壓疲勞損傷測試?

楊 沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

隨著水下探測技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，水下機器人（Underwater Autonomous Vehicle，UAV）技術(shù)不斷成熟，人們采用水下機器人進行水下目標檢測、水下智能探測、水下開采作業(yè)等，有效提高了水下作業(yè)的效率的同時，降低了水下作業(yè)的風險。水下機器人作為一種人工智能體和主動探測制導控制系統(tǒng)，集機械、控制、信息處理以及水下避障等學科為一體，在軍事領(lǐng)域中同樣表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用價值。水下機器人在軍事應(yīng)用中，主要表現(xiàn)為水下航行器跟蹤識別、聲吶信號探測、水下蛙人以及運載等，通過自主航行、制導控制、信號處理以及計算機智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水下機器人的探測、跟蹤、識別和控制［1］。水下機器人由于長期工作在大深度的海水中，海水的壓力較大，鹽度較高，腐蝕性較強，容易導致機器人斷裂，需要進行水下機器人的抗壓疲勞損傷優(yōu)化測試，提高水下機器人的抗拉強度，避免機械斷裂，研究相關(guān)的水下機器人抗壓疲勞測試方法在提高機械人強度方面具有重要意義。

傳統(tǒng)方法中，對機器人抗壓疲勞損傷測試及機械設(shè)計方法主要采用數(shù)值模擬分析方法和統(tǒng)計分析方法［2］，根據(jù)機械強度的屈曲關(guān)系進行水下機器人的抗拉強度數(shù)值分析，實現(xiàn)對機器人機械剩余承載力模擬，從而指導機器人的機械設(shè)計和制造水平，具有一定的效果，但是隨著機器人作業(yè)海水深度的增大，不能有效模擬機器人的疲勞損傷的數(shù)值關(guān)系，在大深度的海水工作環(huán)境下機器人容易出現(xiàn)斷裂行為，且對水下機器人承載動力學分析的準確性不好［3］。針對上述問題，本文提出一種基于斷裂行為的水下機器人抗壓疲勞損傷測試方法。首先進行水下機器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)造水下機器人受力參量的估計模型，建立水下機器人機械荷載力學方程。然后采用斷裂行為評估模型進行水下機器人抗壓疲勞的力學估計和參量可靠性分析，建立水下機器人的機械流場應(yīng)力模型，實現(xiàn)水下機器人抗壓優(yōu)化設(shè)計。最后進行了計算機仿真測試分析，展示了本文方法在提高水下機器人抗壓和抗斷裂行為方面的優(yōu)越性。

2 抗壓疲勞損傷的總體結(jié)構(gòu)及受力約束參量

2.1 水下機器人抗壓疲勞損傷測試的總體結(jié)構(gòu)分析

本文研究水下機器人抗壓疲勞損傷測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，需要分析水下機器人在海水下的機械屈曲關(guān)系和剩余抗拉強度的數(shù)值分析模型，在CAD/CAM平臺上進行水下機器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，機器人的抗壓疲勞測試的CAD/CAM主模塊包括了機器人的CAD造型設(shè)計、機械強度的應(yīng)力生成模擬、機器人機械加工的進刀曲率控制以及后置處理等部分［4］。以機器人在海水下的屈服響應(yīng)、疲勞應(yīng)力、抗拉能力、剪力、抗壓力和受壓區(qū)應(yīng)變之間的關(guān)系為約束參量，建立機器人機械設(shè)計和抗壓疲勞測試的機械動態(tài)分析模型，在五軸坐標系中進行水下機器人的加工仿真和后置處理［5］，根據(jù)上述分析，得到水下機器人抗壓疲勞損傷測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 水下機器人抗壓疲勞測試的總體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1所示的水下機器人抗壓疲勞損傷測試的總體結(jié)構(gòu)模型，進行水下機器人抗壓疲勞測試的數(shù)值分析和參數(shù)模型構(gòu)造，假設(shè)機器人的主材直徑為34mm，構(gòu)件的整體截面厚度11.23mm，轉(zhuǎn)矩為φ60.3×6.3，設(shè)計壓力 12MPa，工作環(huán)境溫度為-50℃～50℃，能夠經(jīng)受高溫高壓下的海水壓力沖擊。采用非約束剛度彈塑性模型構(gòu)造水下機器人的構(gòu)件有限元分布模型，得到水下機器人在海水高壓徐變和瞬態(tài)熱效應(yīng)作用下的疲勞測試應(yīng)力關(guān)系，分析機器人的抗壓力學性能與海水深度和荷載的作用關(guān)系。

2.2 水下機器人受力參量的估計模型

在上述進行了水下機器人抗壓疲勞損傷測試總體結(jié)構(gòu)分析和原理介紹的基礎(chǔ)上，構(gòu)造水下機器人受力參量的估計模型，建立水下機器人機械荷載力學方程，水下機器人在五軸坐標系中表現(xiàn)為一個連桿結(jié)構(gòu)模型［6～8］，各支鏈末端構(gòu)件的彈性模量T和剩余承載力V分別為

在零勢能面計算水下機器人三平移并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)力擬合值：

預先設(shè)定水下機器人結(jié)構(gòu)強度，水下機器人抗水下壓強的強度等級為C60，由此得到水下機器人機械荷載力學方程：

其中，每條支鏈上水下機器人黏滯阻尼狀態(tài)參數(shù)為與狀態(tài)是互不相關(guān)的，由此得到水下機器人系統(tǒng)的機械彈性荷載力學方程描述為

采用擬線性評估方法估計水下機器人在海水壓力作用下的機械剩余抗拉強度，在此基礎(chǔ)上進行機器人的斷裂行為評估和抗壓疲勞損傷測試。

3 機器人抗壓疲勞損傷評估模型優(yōu)化

3.1 抗壓疲勞的力學估計和參量可靠性分析

在CAD/CAM平臺上進行水下機器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)造水下機器人受力參量的估計模型的基礎(chǔ)上，進行水下機器人的抗壓疲勞的力學估計和參量可靠性分析［9］，本文提出一種基于斷裂行為的水下機器人抗壓疲勞損傷測試方法。給定結(jié)構(gòu)降耦構(gòu)型的誤差參考量fx(X,t)，fθ(X,t)為不確定的有界函數(shù)，在并聯(lián)機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)中，機器人抗疲勞斷裂的安全允量條件下，其解耦構(gòu)型的估計函數(shù)分別為有如下關(guān)系：

根據(jù)各支鏈在動/靜平臺之間的載荷比值推薦值，引入兩個初始裂紋長度，隨著試樣的變形，在海水中機器人抗壓疲勞損傷的演化規(guī)律分量分別描述為

取 sinθp=θp，cosθp=1，每次改變尺寸參數(shù)時，以載荷分離最大和斷裂可靠性評價最優(yōu)為目標優(yōu)化參考模型，借助有限元模擬計算2D面-面接觸對的剛性強度，為

式 中 ，分別為抗壓疲勞的力學估計參量、加載線位移和接觸剛度，對上述多目標優(yōu)化模型進行約束進化求解。

3.2 機械流場應(yīng)力模型和抗壓疲勞損傷測試優(yōu)化

在機器人斷裂行為約束下，根據(jù)材料應(yīng)變硬化指數(shù)構(gòu)建機械流場應(yīng)力模型［10］，得到抗壓疲勞損傷的約束進化方程描述為

式中，z1,z2是斷裂韌度約束參數(shù)，y為海水深度，z3是規(guī)則化載荷變量，β1,β2,β3,δ,b是可調(diào)參數(shù)。在給出了載荷分離參數(shù)的條件下［11］，得到裂紋終止點的誤差修正方程式表示為

式中，是規(guī)則化處理的數(shù)據(jù)點；kp,kd是比例系數(shù)和微分系數(shù)。通過斷裂行為評估，得到水下機器人抗壓疲勞測試的動態(tài)評估方程：

式中，yi是實時裂紋長度是超越行程的“動態(tài)耦合的參數(shù)”，bij是加載線位移，考慮斷裂韌度存在熱誤差影響［12］，通過曲率修正得到機器人抗壓疲勞評估的應(yīng)力擬合解析量算關(guān)系：

建立動量守恒方程為

式中：

由于卸載柔度的變化與裂紋長度具有定常性，故：

忽略卸載柔度的擾動影響以及水下機器人自身的重力作用，有

由此得到水下機器人抗壓疲勞測試的彈性部分和塑性部分的湍流方程為k-ε方程，表示為

其中：

綜上分析，在大深度的液態(tài)介質(zhì)環(huán)境下建立水下機器人的機械流場應(yīng)力模型，實現(xiàn)水下機器人抗壓優(yōu)化設(shè)計。

4 仿真實驗與性能測試分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)水下機器人抗壓疲勞測試和機械強度優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用性能，進行仿真實驗實驗建立在CAD/CAM數(shù)控仿真軟件基礎(chǔ)上，采用Matlab R2010b仿真軟件進行數(shù)值實驗分析，機器人的主體加工材料為20CrMnTi，規(guī)格φ60.5×6.8，海水湍流參數(shù)取值分別為：C1ε=1.44 ，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。切齒深度φ取值1.0mm，結(jié)合塑性因子Ke=0.5732Vs/rad，卸載柔度Jp=0.804(1±0.5)kg·m2，材料應(yīng)變硬化指數(shù)為1.25，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定，進行水下機器人的抗壓疲勞測試，得到水下機器人的抗壓疲勞測試的等高線圖如圖2所示，機器人斷裂行為的有限元分布云圖如圖3所示。

圖2 水下機器人的抗壓疲勞測試的等高線圖

圖3 水下機器人斷裂行為的有限元分布云圖

分析圖2和圖3結(jié)果得知，采用本文方法進行機器人抗壓疲勞測試和斷裂行為評估，水下機器人斷裂行為的有限元分布較為平滑，說明該設(shè)計方法能有效提高水下機器人強度，克服疲勞損傷，為了對比不同方法的性能，采用本文方法和傳統(tǒng)的構(gòu)件耦合方法進行水下機器人的抗壓設(shè)計，得到疲勞損傷測試誤差對比如圖4所示。

圖4 誤差性能測試

分析圖4結(jié)果得知，本文方法進行水下機器人機械性能測試的誤差較小，采用本文設(shè)計方法能增大水下機器人工作海深，抗疲勞損傷性能較好。

5 結(jié)語

進行水下機器人的抗壓疲勞損傷優(yōu)化測試，提高水下機器人的抗拉強度，避免機械斷裂，本文提出一種基于斷裂行為的水下機器人抗壓疲勞損傷測試方法。構(gòu)造水下機器人受力參量的估計模型，建立水下機器人機械荷載力學方程，采用斷裂行為評估模型進行水下機器人抗壓疲勞的力學估計和參量可靠性分析，在大深度的液態(tài)介質(zhì)環(huán)境下建立水下機器人的機械流場應(yīng)力模型，實現(xiàn)水下機器人抗壓優(yōu)化設(shè)計。研究表明，采用本文模型進行水下機器人的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分析和抗壓疲勞損傷測試，能有效提高水下機器人強度，增大水下機器人工作海深，抗疲勞損傷性能較好，在水下機器人的機械性能改進設(shè)計中具有很好的應(yīng)用價值。

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