基于有限元分析下的水下機器人優化

摘 要：本文主要對水下機器人采用有限元分析法，運用有限元分析軟件ANSYS二次開發語言APDL實現語言參數建模。之后調整初始模型相關參數，達到了水下機器人結構優化這一目標。確保水下機器人能夠在優化后，增強有效負載并增大航程，減輕耐壓結構重量。

關鍵詞：有限元分析;水下機器人;優化

水下機器人作為為了滿足對海洋環境的監測需求，實現了浮標、淺標、水下機器人多項技術相結合，研制形成的無外掛推進系統，可以借助水下機器人的本身浮力，從而沿鋸齒形航跡運行的系統[1]。從某種意義來講，通過加大水下機器人的結構尺寸，即可滿足水下機器人的結構鋼強度需求，但為了縮減成本達到輕重量，本文將對水下機器人進行有限元分析優化研究。

1 水下機器人優化對象

水下機器人的艙段結構，由耐壓殼、肋骨兩大結構組成，由于在2～6艙段有著基本等同的結構，僅僅在結構尺寸以及肋骨的根數方面存在差別，因此本文以5艙段為對象，薄殼耐壓殼結構，矩形強肋骨和T型肋骨，于耐壓殼體內部呈均勻分布。想要優化水下機器人就要注意三大要素，包括結構優化變量、目標及約束條件，保證對水下機器人的結構鋼強度需求滿足基礎之上，實現對變量的優化調整，所獲差異化目標函數值，實現對目標函數值大小相較，進而對比獲得最優化方案[2]。

2 建立水下機器人艙段APDL參數模型

2.1 艙段模型處理

由于水下機器人的2～6艙段存在較多優化變量，所以想要實施連續優化難度較大，因此決定離散性優化，通過建立APDL模型可以優化重要幾何參數，達到結構模型優化。通過建立殼模型并導入至有限元分析軟件中，創建ANSYS軸向垂直的工作平面，獲得艙段幾何模型示意圖。并運用APDL參數優化語言，完成艙段參數建模編寫程序。

2.2 耐壓殼體模型簡化

簡化耐壓殼提的關鍵前提在于能夠最大化簡化模型，并確保分析時可以盡可能接近原模型。因此僅僅將水下機器人耐壓殼體的部分圓角、復雜過渡曲面進行簡化處理，并對原始模型特點有所保留，獲得簡化之后的耐壓殼體模型。長高分別為500mm、160mm，耐壓殼體設計作為典型多目標優化問題，對于結構安全有力保證前提下，力求能夠獲得最大化浮力且最輕質量的設計方案。

3 水下機器人優化設計有限元分析

假定該水下機器人能夠達到50m的作業深度，100m的極限作業深度，為了確保耐壓殼體正常進行有限元分析過程中，取極限作業靜水壓作為加載載荷。安全系數為1.5，1～3mm的耐壓殼體厚度。

3.1 有限元分析處理

進行ADPL有限元分析前期，確定3mm的鋁合金材料，劃分網格施加靜水壓載荷，設定1005kg/m3的淺海海水密度，豎直向下100m水壓深度，計算所得施加載荷值為0.985MPa。并添加模型固定約束，均運用法蘭盤連接艙段的前、后端面。

3.2 分析結果處理

通過分析可得艙段的應力分布情況、位移情況（見下圖），可得處于上述極限作業深度下，耐壓殼體能夠達到42.194MPa的最大應力，并滿足艙體的強度要求，可以確保水下機器人能夠正常作業于100m水深工況下。并且可得最大位移值為00065889mm，10%的材料延伸率，能夠滿足設計需求。

3.3 優化前后對比

本次設計的水下機器人艙段耐壓殼體優化厚度3mm為1796mm，最終可得優化前后的艙段參數（見下表）。不僅增加了水下機器人艙段的耐壓殼體最大等效應力與最大線性位移量，并且保證能夠在安全范圍內，滿足極限工況下的作業所需，達到40%的優化殼體質量，因此本次有限元分析優化效果顯著。

4 結語

綜上所述，本文通過對水下機器人艙段耐壓殼體結構，進行有限元分析優化，結果發現1.795mm殼體厚度最優，在實際應用中也需要酌情考慮市場情況，最終選用2mm厚度。并進行有限元優化前后對比，發現優化之后的水下機器人耐壓殼體質量明顯減小，不僅縮減成本還達到了輕重量的優化目標，綜合提升了樹下機器人的作業性能。

參考文獻：

[1]侯寶科，許競克.Solidworks結構分析在水下機器人設計中的應用[J].裝備制造技術，2018，22（10）：86-88.

[2]趙樹培.基于Solidworks的有限元技術在水下機器人結構設計中的應用[J].公安海警學院學報，2014（2）.

作者簡介：王丹（1988-），女，漢族，甘肅蘭州人，碩士，助教。