水下機(jī)器人碰撞動力學(xué)仿真與分析

錢光躍

摘 要：為了檢驗水下機(jī)器人的碰撞性能，本文利用了Ansys/Workbench中的Explicit Dynamics模塊對一種無人有纜水下機(jī)器人的碰撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了該結(jié)構(gòu)的碰撞性能。為水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析提供了支持。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；Explicit Dynamics；碰撞；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.192

1 引言

隨著人類對于海洋探測及水下作業(yè)的增多[1]，水下機(jī)器人技術(shù)得到了快速的發(fā)展。而在水下機(jī)器人的實(shí)際操作過程中，因為工作母船受到惡劣海況的影響，及人為操作不當(dāng)，都有可能產(chǎn)生與船體的碰撞。為了研究水下機(jī)器人與船體甲板碰撞對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，本文以一種淺海有纜水下機(jī)器人為例，進(jìn)行了有限元仿真。

2 數(shù)值模擬前處理

有纜水下機(jī)器人的框架一般為開架式結(jié)構(gòu)[2]，由鈦合金、鋁合金或不銹鋼焊接而成。鈦合金質(zhì)量較輕，強(qiáng)度高，抗海水腐蝕性強(qiáng)，是三種材料里最適合做載體框架的選材。本文研究的水下機(jī)器人框架為TI-6Al-4V鈦合金圓管焊接而成。

本文中僅研究碰撞對焊接框架和浮力材料的影響。在solidworks中對框架結(jié)構(gòu)和浮力材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕＃⒈４娉蓅tp格式導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析。

對模型進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)定。

對焊接框架及浮力材料施加1m/s的初速度，甲板施加固定約束。為減少計算時間，框架前沿與甲板相切。使整體與甲板呈30°傾斜相撞。設(shè)置計算時間為0.05s。

3 仿真結(jié)果分析

框架在發(fā)生碰撞后，在0.005s時承受的應(yīng)力最大。

在仿真得到分析后，需要結(jié)合計算公式強(qiáng)度校核，對最大應(yīng)力和該材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比較。鈦合金屬于塑性材料，塑性材料的許用應(yīng)力計算公式為：

TI-6Al-4V鈦合金的屈服強(qiáng)度為650MPa，帶入后，求得。可以看出，焊接框架碰撞的最大應(yīng)力接近TI-6Al-4V鈦合金的許用應(yīng)力，所以應(yīng)避免更強(qiáng)烈的碰撞。而浮力材料所受最大應(yīng)力較小，基本不會產(chǎn)生損壞。

4 結(jié)論

通過對水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)碰撞動力學(xué)過程的數(shù)值模擬，得出碰撞對水下機(jī)器人的碰撞可能會產(chǎn)生影響。因此水下機(jī)器人的布防及回收工作應(yīng)盡量在海況較好時進(jìn)行，并提前對工作人員進(jìn)行止蕩的操作培訓(xùn)，避免與船體劇烈碰撞對設(shè)備的損壞。

參考文獻(xiàn)：

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[2]宋輝.ROV的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[3]周軍，梅志遠(yuǎn)，王永歷，周曉松.低模高彈體泊松比試驗測試方法[J].中國艦船研究，2018，13（02）：91-96+122.