飛魚型水下機器人耐壓殼結(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對飛魚型水下機器人的耐壓殼結(jié)構(gòu)進行有限元分析。在滿足強度和剛度要求的前提下，對飛魚型水下機器人耐壓殼結(jié)構(gòu)進行優(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、運動能力較差等缺點，不滿足當(dāng)前市場需要。為了改進水下機器人運動性能，魚型水下機器人應(yīng)運而生。耐壓艙作為魚型水下機器人探測及傳感儀器的重要載體，它的強度關(guān)系著水下機器人的最大下潛深度及航行速度。因此，耐壓儀器艙設(shè)計是水下機器人設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，考慮到水下機器人的續(xù)航能能力，為保障運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)強度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，把減輕重量作為機器人設(shè)計時的一項基本要求[2]。本文從減重降本方向出發(fā)，在滿足強度的條件下對飛魚型水下機器人的耐壓殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 飛魚型水下機器人模型建立

1.1 飛魚型水下機器人結(jié)構(gòu)模型

飛魚型水下機器人結(jié)構(gòu)主要由航行體、飛翼、螺旋槳及固定裝置組成。內(nèi)部舵機帶動機翼運動，見圖2。航行體內(nèi)部放置飛控及攝像設(shè)備，以達成探索水下區(qū)域和實現(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 飛魚型水下機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象

水下機器人的主要結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)在1.1節(jié)介紹。現(xiàn)根據(jù)要求，在滿足強度及剛度要求的前提下對飛魚型水下機器人的主航行體耐壓殼進行結(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度。因此，分析耐壓殼自身的結(jié)構(gòu)強度和剛度是有必要的。本文基于有限元軟件Ansys Workbench對耐壓殼強度及剛度進行直接計算。

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單元進行網(wǎng)格劃分。Solid186單元是一個高階三維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元[3]，每個節(jié)點有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 耐壓殼強度結(jié)果分析

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

耐壓艙強度依據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》[4]進行校核，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度為9601MPa，小于許用強度[σ]=246.5MPa，故當(dāng)耐壓殼厚度為12mm時，強度滿足要求。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)進行優(yōu)化，優(yōu)化對象為耐壓殼厚度。對有限元模型進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）大于許用強度[σ]=246.5MPa，強度不滿足要求。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

本文對飛魚型機器人的耐壓殼進行有限元分析，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，其強度將超過許用應(yīng)力，不滿足使用要求。最后，考慮到實際采購及成本問題，將耐壓殼厚度定為10mm。

參考文獻：

[1]楊岳，何雪浤，谷海濤，張斌.水下機器人耐壓殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機械科學(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.水下機器人耐壓儀器艙設(shè)計及強度分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.