飛魚型水下機(jī)器人耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉威周 陳炎 張鷺 楊洋

摘要：耐壓艙作為水下機(jī)器人儀器的重要載體起著至關(guān)重要的作用。本文基于Ansys Workbench對飛魚型水下機(jī)器人的耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，對飛魚型水下機(jī)器人耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以起到減重降本的目的。

關(guān)鍵詞：有限元分析;耐壓殼;優(yōu)化

隨著科技的發(fā)展及近年來水下環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，水下機(jī)器人技術(shù)得以迅速發(fā)展，代替潛水員在深水中長時間作業(yè)，廣泛應(yīng)用于軍、民領(lǐng)域[1]。但當(dāng)前水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)多采用傳統(tǒng)的流線型圓柱體結(jié)構(gòu)，見圖1，此結(jié)構(gòu)存在著體積大、質(zhì)量重、能耗高、綜合效率低、運(yùn)動能力較差等缺點(diǎn)，不滿足當(dāng)前市場需要。為了改進(jìn)水下機(jī)器人運(yùn)動性能，魚型水下機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。耐壓艙作為魚型水下機(jī)器人探測及傳感儀器的重要載體，它的強(qiáng)度關(guān)系著水下機(jī)器人的最大下潛深度及航行速度。因此，耐壓儀器艙設(shè)計是水下機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，考慮到水下機(jī)器人的續(xù)航能能力，為保障運(yùn)行時有著更長的航程和更高的續(xù)航力，在保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，把減輕重量作為機(jī)器人設(shè)計時的一項基本要求[2]。本文從減重降本方向出發(fā)，在滿足強(qiáng)度的條件下對飛魚型水下機(jī)器人的耐壓殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 飛魚型水下機(jī)器人模型建立

1.1 飛魚型水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

飛魚型水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由航行體、飛翼、螺旋槳及固定裝置組成。內(nèi)部舵機(jī)帶動機(jī)翼運(yùn)動，見圖2。航行體內(nèi)部放置飛控及攝像設(shè)備，以達(dá)成探索水下區(qū)域和實(shí)現(xiàn)部分水域范圍水質(zhì)監(jiān)測的目的。為后期計算需求，現(xiàn)基于三維建模軟件Solidworks建立飛魚水下機(jī)器人模型，模型總長度756mm，寬度918mm，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。航行體耐壓殼材料采用2024鋁合金，厚度為12mm，具體參數(shù)見表1。

1.2 飛魚型水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象

水下機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)在1.1節(jié)介紹。現(xiàn)根據(jù)要求，在滿足強(qiáng)度及剛度要求的前提下對飛魚型水下機(jī)器人的主航行體耐壓殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為耐壓殼厚度。

2 基于有限元法的耐壓殼強(qiáng)度計算

為確保內(nèi)部儀器能安全的工作，在靜水壓力下耐壓殼結(jié)構(gòu)要保證具有一定的強(qiáng)度。因此，分析耐壓殼自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是有必要的。本文基于有限元軟件Ansys Workbench對耐壓殼強(qiáng)度及剛度進(jìn)行直接計算。

2.1 網(wǎng)格劃分

將耐壓殼三維模型導(dǎo)入有限元軟件Ansys Workbench中，耐壓殼選用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。Solid186單元是一個高階三維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元[3]，每個節(jié)點(diǎn)有3個沿著x、y、z方向的平移自由度。Solid186單元具有二次位移模式，可更好得模擬不規(guī)則的網(wǎng)格，示意圖見圖4。

2.2 邊界條件及載荷計算

考慮水下機(jī)器人的最大工作水深為100m，為簡化耐壓殼有限元分析過程，本文將極限深度的靜水壓力作為加載載荷，并考慮一定的安全系數(shù)（n=1.5），加載壓力P=ρgh·n=1.5MPa。耐壓殼約束為對稱面約束，側(cè)面施加平移約束（UX、UY、UZ），詳見圖5。

2.3 耐壓殼強(qiáng)度結(jié)果分析

基于Ansys Workbench對耐壓殼進(jìn)行屈服強(qiáng)度及剛度計算，結(jié)果如圖6、圖7所示。

耐壓艙強(qiáng)度依據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》[4]進(jìn)行校核，該規(guī)范規(guī)定最大Mises應(yīng)力值小于0.85倍的屈服極限，即σSymbolcB@

由圖6和圖7計算結(jié)果可得耐壓殼承受最大強(qiáng)度為9601MPa，小于許用強(qiáng)度[σ]=246.5MPa，故當(dāng)耐壓殼厚度為12mm時，強(qiáng)度滿足要求。耐壓殼最大變形量為0.0285mm，考慮鋁合金材料延展率δ=11%，故剛度滿足要求。

3 耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從第2章計算結(jié)果可以看出，當(dāng)耐壓殼厚度為12mm時，結(jié)構(gòu)留有的安全裕度較大，故考慮對耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化對象為耐壓殼厚度。對有限元模型進(jìn)行厚度縮減重新計算，計算結(jié)果見表2。

由表2可以看出隨著耐壓殼厚度的增加，耐壓殼承受的應(yīng)力增加，變形量增加，質(zhì)量減小。當(dāng)厚度減少至8mm時，質(zhì)量減小37.7%，但等效應(yīng)力（σ=249.06MPa）大于許用強(qiáng)度[σ]=246.5MPa，強(qiáng)度不滿足要求。當(dāng)耐壓板厚度減小至9mm和10mm時，其等效應(yīng)力及變形量皆在安全范圍之內(nèi)，質(zhì)量減輕量分別為26.1%和19.7%，考慮到10mm鋁合金圓筒為標(biāo)準(zhǔn)件，最終方案將耐壓殼厚度定為10mm。

4 結(jié)語

本文對飛魚型機(jī)器人的耐壓殼進(jìn)行有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)耐壓殼厚度減小時，耐壓殼承受的等效應(yīng)力、變形量將增加，當(dāng)耐壓殼厚度減小至8mm時，其強(qiáng)度將超過許用應(yīng)力，不滿足使用要求。最后，考慮到實(shí)際采購及成本問題，將耐壓殼厚度定為10mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊岳，何雪浤，谷海濤，張斌.水下機(jī)器人耐壓殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，35（04）：614-619.

[2]郭珍珍.基于有限元法的水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析[D].東北大學(xué)，2013.

[3]王峰.圓碟形水下滑翔機(jī)耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與裝配偏差計算及外形減阻分析[D].大連海事大學(xué)，2020.

[4]金鑫.水下機(jī)器人耐壓儀器艙設(shè)計及強(qiáng)度分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.