基于SolidWorks某水下航行器殼體有限元分析

關文信

（廣東明華機械有限公司，廣東佛山 528231）

0 引言

自主式水下航行器（AUV）具有活動范圍大、潛水深度深、可在復雜地形海域中作業的優點，可用于海洋資源勘探、水下安裝維護、軍事偵察和攻擊等領域[1]。水下航行器一般在高壓、高濕的水下環境中工作，其殼體結構需同時滿足耐壓性和密封性，故加工殼體所要求的工藝和精度很高，制造成本高昂。在水下航行器產品設計過程中需要更多地考慮其殼體結構的力學性能，保證結構設計的合理性，以助于減少設計人員工作量、縮短研發周期、降低生產成本、提高成品安全性和可靠性。

利用有限元分析軟件，對某在研水下航行器的殼體結構進行仿真分析，可驗證在外界水壓作用下殼體內部的力學特性。在有限元分析的基礎上，對所設計對象進行動靜態力學特性的評判和校核，以便對不合理的設計參數進行修正，得到較優化的設計方案，為以后進行成品分析打下基礎，達到減少人力和物料消耗的目的。

1 基于SolidWorks的實體建模

所設計的水下航行器殼體采用回轉體外形[2-3]，回轉體殼體在水下均勻外壓下只產生均勻收縮變形，殼體內部只有均勻壓縮應力而無彎曲應力[4]。通過SolidWorks2018軟件創建各部分三維模型并組裝成形。三維實體模型由功能部艙段（圓柱段）和推進部艙段（尾錐段）組成，結構如圖1所示。兩艙段通過楔形環連接，楔形連接方式如圖2所示。

圖1 水下航行器三維模型

圖2 楔環連接示意圖

楔環連接[5]是利用2個帶楔形面的開口圓環在周向相對運動時產生軸向的拉力將2個艙段的法蘭端面壓緊實現兩艙段的連接。如圖2所示，該結構楔環安裝在2個艙段殼體形成的矩形環槽內，用與楔環1、2末段距離等長的止動塊頂緊防止其發生松動。在航行器表面只留有1個緊密配合的接縫和1個楔環安裝窗口，可以保證航行器表面非常光順。該連接方式具有結構尺寸緊湊、質量輕、徑向尺寸占用小和殼體受力均勻的優點，其裝配誤差靠套接配合面、端面和定位銷來保證；缺點是對連接部件的形位精度要求高，拆裝次數不能過多。該連接方式在薄壁圓筒結構產品上得到廣泛應用。

2 基于SolidWorks Simulation的有限元分析

2.1 有限元模型簡化

由于水下航行器殼體結構較為復雜，當采用有限元法分析其力學特性時，為了快速準確地得到計算結果，需對其模型進行合理地簡化以減少計算量。簡化原則是簡化后的物理模型不能影響結構的實際動靜力學特性[6]。遵循這一原則，對殼體結構中一些螺紋孔、銷孔、倒角和圓角以及各種對整體影響較小的平臺進行忽略。

2.2 材料屬性

建立新算例，水下航行器殼體材料為硬鋁合金7A04-T6，此類鋁合金具有密度低、強度高和耐腐蝕等優良的綜合性能，目前已被廣泛應用于航空航天和航海等工業領域。材料彈性模量E=72 GPa，泊松比為0.35，屈服強度一般為400 MPa，密度為2780 kg/m3。

2.3 劃分網格

有限元模型采用以二階四面體為主的網格劃分方式，網格尺寸為2～8 mm。

2.4 定義約束

對功能部艙段的前端和兩艙段的連接處施加固定約束，其他部位的自由度則不加約束。這樣的約束與實際情況較為相符，不發生剛體位移。

2.5 添加載荷

水下航行器殼體在水下工作環境下所承受的載荷，即設計載荷Pi可借助經驗公式進行計算：

式中：P 為使用載荷，即在水下殼體外表面所承受的均布載荷；f為安全系數，通常取值1.2。

按照水下航行器最大工作深度300 m 的工況條件，P取值為3 MPa。故在航行器殼體外表面上加載均布載荷Pi=3.6 MPa。

水下航行器有限元計算模型如圖3所示。

圖3 水下航行器計算模型

圖4 功能部艙段殼體應力分布云圖

2.6 水下航行器殼體結構強度校核

在定義材料特性、網格劃分、施加約束和載荷之后進行有限元求解，得到殼體在靜水壓狀態下的應力與位移分布云圖。仿真結果如圖4～7所示。

圖5 功能部艙段殼體位移分布云圖

圖7 推進部艙段殼體位移分布云圖

圖8 推進部艙段殼體一階模態振型

由圖4 可知，功能部艙段最大應力出現在殼體前端安裝肋板根部圓角處，達到242.3 MPa，小于材料屈服極限400 MPa，滿足材料的許用應力要求。由圖5可知，功能部艙段殼體表面的最大位移為0.238 mm，殼體滿足剛度設計要求。

由圖6 可知，推進部艙段最大應力出現在舵機安裝平臺根部后端的殼體內壁處，達到126.1 MPa，小于材料屈服極限400 MPa，滿足材料的許用應力要求。由圖7可知，推進部艙段殼體最大位移出現在舵軸安裝孔內壁處，為0.156 mm，殼體滿足剛度設計要求。

2.7 水下航行器關鍵部位模態分析

水下航行器航行過程中會受到各種動載荷的作用，由于振動造成共振或疲勞而使結構破壞。因此為了提高航行器殼體結構的壽命，避免工作過程中產生的共振，了解殼體結構的固有振動特性，即其模態，是十分有必要的[7]。推進部艙段內部裝載高速推進電機和電動舵機等關重部件，電機工作時其振動會傳遞給推進艙段殼體，推進艙段殼體接著將振動傳向與之相連接的其他殼體部分，從而引起整個殼體的振動。故推進部艙段是在研水下航行器的關鍵部位，需分析其殼體結構的模態。

經計算，推進部艙段殼體的模態振型云圖如圖8～10 所示，前五階固有頻率如表1所示。

圖9 推進部艙段殼體三階模態振型

圖10 推進部艙段殼體五階模態振型

表1 推進部艙段殼體前五階固有頻率

推進部艙段殼體可能發生共振的前五階頻率，可用來判斷外界環境是否會對水下航行器內部的關重部件產生共振影響，從而確定是否需要再次優化殼體的結構來改變其固有頻率，以適應外界環境。通過模態分析，可以較好地降低由共振帶來的負面影響[8]。

當水下航行器滿功率工作時，其高速電機的最大轉速可達到3600 r/min，工況頻率為60 Hz。由上述計算結果可以看出，推進部艙段殼體的固有頻率較高，遠比電機的轉動頻率和外界的擾動頻率高，故殼體不會發生共振現象。

3 結束語

通過有限元分析得到水下航行器殼體結構模型各個部位的變形、應力分布云圖和前五階模態振型云圖。應力分布云圖可考核殼體結構的應力集中問題，尋找結構的薄弱環節，設計人員可對承力較差的部位進行局部加強使結構受力更為合理。根據模態分析的結果，可避免殼體結構固有頻率與現實工況中的振動頻率相接近，防止共振現象的出現。同時模態分析可作為后續頻譜響應分析、頻譜分析等其他動力學分析的基礎，為該水下航行器結構動力特性的優化設計提供理論依據。

綜上所述，運用有限元對結構進行動靜態力學特性分析，可以給后期進一步優化殼體的受力情況和振動抑制提供可靠的理論參考依據，以達到縮短研發周期，降低研發費用的目的。