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自治水下机器人( a u v ) - - - 维结构设计及仿真分析 摘要 海洋蕴藏着丰富的自然资源，有效地开发利用海洋资源对人类未来生存和发 展具有十分重要的意义，水下机器人是认识海洋、开发海洋必不可少的重要手段。 作为水下机器人的一个重要分支自治水下机器人( a u v ) ，因其具有环境适应 性强、活动范围大、使用方便等诸多优势，逐渐成为当今研究的热门领域。 本文根据设计任务书的技术指标，在第一代开架式a u v 的基础上，完成第 二代a u v 原型样机的结构设计，涉及的部分包括有耐压舱设计、推进器排列设 计、摄像机间距调节系统设计、整体布局设计以及结构的材料选择。此外鉴于 a u v 工作环境复杂，而耐压舱的壁厚设计对于整体a u v 的安全起到至关重要的 作用，本文对于耐压舱壁厚进行了详细的设计，具体方法为：在判别圆筒的属性 后，选择经验公式，采用试算的方法进行设计计算，而后运用c o s m o s w r o r k s 软件进行静力分析，得出分析图像，进行强度的校核，保证了耐压舱的安全性及 a u v 设计的可靠性。 为了更好的研究a u v 运行中阻力及流动情况，本文选用c f d 分析软件 f l u e n t 进行了一系列的水动力分析等工作。由于a u v 自身携带能源有限，所 以为了提高能源利用率，本文设计的a u v 采用流线型结构，该结构通过流线型 导流罩外壳实现。为了最大限度的降低能源损耗，本文进行了导流罩外壳的形状 优化设计。在已有框架结构设计的基础上，确定了所需满足的基本尺寸，通过流 线型和半圆型过渡在头部和尾部的不同组合，形成四种导流罩模型，而后运用 f l u e n t 分别对四种模型进行仿真模拟，得出它们的阻力及各项阻力系数，通过 比较模型间不同阻力的变化，并综合模型尺寸的影响，选出最优模型，完成a u v 导流罩的优化设计。至此完成a u v 虚拟样机的设计。 对设计完成的a u v 进行三维水动力仿真，模拟a u v 周围粘性流场的情况。 首先采用5 种不同的网格模型，分别在三种湍流模型下进行模拟计算，经过与经 验公式计算值的比较分析，并综合考虑计算速度等因素，得出最佳网格模型与最 佳湍流计算模型，并以此作为后续仿真的基本条件。而后分别进行了不同运行速 度下、不同工作深度下、不同雷诺数下a u v 的运行情况分析，得出了a u v 运 行的粘性阻力、压差阻力和总阻力以及各项阻力系数，a u v 表面各种压强分布 情况以及流场内压强及速度分布情况等多项水动力特性，此外还分析了a u v 升 沉运动时的水动力情况。结果证明计算机仿真模拟在a u v 水动力特性研究方面 具有一定的应用价值，这些研究数据均可为a u v 的迸一步研究以及实验分析提 供参考依据。 关键词：自治水下机器人；结构设计；f l u e n t ；水动力分析；仿真模拟 3 - ds t r u c t u r a ld e s i g na n ds i m u l a t i o na n a l y s i so f a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e 搿u 叨 a b s t r a c t s i n c eo c e a nc o n t a i n sg i a n tn a t u r a lr c s o u r c c s ，d e v e l o p i n ga n du s i n gm a r i n er e s o u r c e s w i s e l yi so fg r e a ti m p o r t a n c et oh u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t u n d e r w a t e rr o b o ti sa l l i m p o r t a n tm e a nt os t u d ya n de x p l o i to c e a n a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ( a r t y 3 ，a sa b r a n c ho ft h eu n d e r w a t e rv e h i c l e s ，h a ss om a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa d a p t a b l et o e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，e x t e n s i v es c o p eo fa c t i v i t y , c o n v e n i e n ti no p e r a t i o na n ds oo n , w h i c hi l l 【a k e si tt ob eah o tr e s e a r c hf i e l d a c c o r d i n gt ot h eq u a l i f i c a t i o no fd e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h e f i r s t o p e n f r a m ea u v , d e s i g na n dd e v e l o pap r o t o t y p eo fs e c o n da u v , i n c l u d i n gd e s i g no f c o m p r e s s i v ec a b i n ，p u s h e r s o r d e r , t h ec a m e r as p a c ea d j u s t i n gm e c h a n i s m ，i n t e g r a ll a y o u t a n dm a t e r i a ls e l e c t i o n b e c a u s ea u v sw o r ke n v i r o n m e n ti sv e r yc o m p l e xa n di ti sv e r y i m p o r t a n tt o t h es a f e t yo fi n t e g r a ls t r u c t u r e ，t h et h i c k n e s s o fh o l d i n gb u l k h e a di s e m p h a t i c a l l yd e s i g n e d t h es p e c i f i cm e t h o di s ：d i s c r i m i n a t et h eb e l o n g i n gt y p eo ft h e c a p s u l e ，t h e np i c kt h es u i t a b l ee q u a t i o na n dd e s i g nc a l c u l a t i n gi sp r o c e e d e db yu s i n g t r i a l m e t h o d s t a t i ca n a l y s i so ft h ec a p s u l ei si n t r o d u c e db yu s i n gc o s m o s w o r k s ，a n dt h e s t r e n g t hc a l i b r a t i o ni sc o m p l e t e d t h e s ec a l lg u a r a n t e e t h es a f e t yo fc o m p r e s s i v ec a b i na n d t h er e l i a b i l i t yo f a u v sd e s i g n t or e s e a r c ht h er e s i s t a n c ea n df l o wc o n d i t i o no fa u vw es t u d yt h eh y d r o d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fi t b e c a u s et h ee n e r g yi sc a r r i e db ya u va n di ti sl i m i t e d , t h ea u vh a s d o m eo nb o w , a n dt h ef o r mo fi ti so p t i m a ld e s i g n e dt om i n i m i z et h ee n e r g yw a s t i n g o n t h eb a s i so fa b o v e , c o n f i r mt h eb a s i cs i z e t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fs t r e a m l i n ef o r ma n d s e m i c i r c l ef o r m ，c o n s t i t u t ef o u rd i f f e r e n tm o d e l s ，t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n st ot h e i r e x t e r n a lf l o wf i e l da r ep r o c e s s e db yt h ec f d a n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n ta n dg a i nt h ef o r c e c o n d i t i o na n dd r a gc o e f f i c i e n to fe v e r ym o d e l a c c o r d i n gt oc o m p a r a t i v ea n a l y s i st h e r e s u l t sa n dc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fs i z e , p i c ko u tt h eo p t i m i z a t i o nm o d e la n dt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sf i n i s h e d s of a rt h eh y p o t h e s i z e dp r o t o t y p i c a ld e s i g no fa u v i s e a r r i e do u t r e s e a r c ht h es i t u a t i o no fv i s c o u sf l o wf i e l da r o u n d a u v , t h r o u g h t h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no fa u v sh y d r o d y n a m i cf o r c e b yu s i n gf i v e 鲥dm o d e l s a n dt h r e et u r b u l e n c em o d e l s js i m u l a t et h ea u v sm o v e m e n t ，t h e ni nc o m p a r i s o n 谢mt h e c a l c u l a t i v ev a l u eo ft h ef o r m u l aa n dc o n s i d e r i n gt h ec o m p u t a t i o n a ls p e e d , t h eo p t i m u m g r i dm o d e la n dt u r b u l e n c em o d e li sg o t ，a sab a s i cc o n d i t i o no ft h es u b s e q u e n ts i m u l a t i o n t h e ns i m u l a t ea u v sm o v e m e n ti nd i f f e r e n tv e l o c i t y , w o r k i n gd e p t ha n dr e y n o l d s n u m b e r , a n dg e tm a n yh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gt h ev i s c o u sd r a g ，p r e s s u r e d r a g ，t o t a ld r a g ，e v e r yd r a gc o e f f i c i e n t , s u r f a c ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ep r e s s u r ea n d v d o d t yd i s t r i b u t i o na n ds oo n b e s i d e sh e a v em o v e m e n to fa u v i sa l s os i m u l a t e d t h e r e s e a r c hp r o v e st h a tt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni su s e f u li nt h ef i e l do f a u v sh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h ，a n dt h er e s u l t i n gd a t ac a np r o v i d et h er e f e r e n c eb a s i s f o rt h e e x p e r i m e n ta n df u r t h e rs t u d yo f a u v k e y w o r d s ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；f l u e n t ； h y d r o d y n a m i ca n a l y s i s ；s i m u l a t i o n 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 1 绪论 1 1 研究背景及意义 目前世界各国经济都在迅速发展，世界人口不断增多，人类对自然资源的消 耗也越来越多。地球上有大约7 1 的面积被海洋覆盖，海洋不仅为人类提供航运、 水产，还蕴藏着丰富的矿产和巨大的能量，海洋是一片人类尚未开发的宝地。2 1 世纪是开发海洋的世纪，世界各国对于海洋资源的争夺与开发，已经在国际大舞 台上缓缓拉开了帷幕，而对于海洋资源的开发更是一项长远的计划。 据统计，蕴藏在海洋中的石油、天然气及各种稀有金属等工业发展所必须的 资源在海洋中的储量是陆地的几倍甚至几十倍，因此，更有效地开发利用海洋资 源对人类未来生存和发展具有十分重要的意义。 发展认识海洋、开发海洋需要的各种高技术手段，己成为建设海洋强国、捍 卫国家安全以及实现可持续发展的必然要求。由于水下机器人能够在水下进行观 察、摄像、打捞和施工作业，因此在海洋开发中得到广泛的应用： 在民用方面，海洋开发行业逐步兴起，使得水下修理技术不断完善起来，特 别是水下修理平台和水下机器人的迅速开发，使得水下修理技术有了阶段性的飞 跃。在国外，水下检测修理技术己逐渐发展成为一门日趋成熟的技术，并且仍在 不断的扩大着应用范围，在船舶修理方面能解决的问题包括有：故障部位钢板的 焊接、切割或更换，船舶水线以下部位的清洗、除锈、涂装，水下装置的修理或 更换等多个方面。 在军事方面，水下机器人很早就用于侦察、监听等军事目的，美国海军正在 研发组建世界第一支水下无人舰队。其九项功能分别为：无人侦察；部署能够发 现和摧毁敌军水雷的无人作战系统；作为水下运载工具；执行反潜作战任务；反 恐，防范可能从海上发起的针对美国的恐怖袭击：承担通讯和导航任务；进行电 子战，干扰敌军通信网；作为诱饵，猎杀敌方潜艇；进行远程火力攻击【2 】。 1 2 水下机器人概述 1 2 1 水下机器人分类 水下机器人的构造、动作原理、使用目的多种多样，按照不同分类方法可分 类如下： 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 ( 1 ) 按用途可分为作业用、计测用和测量用水下机器人。作业用水下机器人多 带有机械手，用于海中救援、打捞、电缆敷设、海洋石油及其他生产系统的操作 维修等水下作业。观测用水下机器人与作业用基本相同，但它主要用于测定所要 调查对象的参数。测量用水下机器人则是利用照相机、摄像机、声纳等观测海底 地形、地貌或搜寻水下沉物。 ( 2 ) 按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。浮游式水下机器 人呈零浮力( 或稍有一点正浮力) ，依靠所装的推进器在水下做三维空间运动。 履带式水下机器人多用于海底施工，利用步行机构在海底行走的步行机器人正处 于研制阶段【3 】。 ( 3 ) 按照在水下机器人与母船之间有无电缆可分为有缆水下机器人( r o v - r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 和无缆水下机器人( a u v a u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l e ) 即自治水下机器人。r o v 由脐带电缆连接到水面母船，脐带电缆有两 项功能：向下传输动力，并且实时双向传输控制信号( 由母船至i 的v ) 和数据 图像( 由r o v 至母船) 。a u v 与母船之间没有物理连接，a u v 自身携带动力， 并且依靠机器的智能控制实现自主航行。 二者相比较，可以明显看出a u v 具有诸多优点，例如：潜水深度大、活动 范围大、无脐带纠缠、不需要庞大水面支持系统、可进入复杂结构中、占用甲板 小、运行和维修费用低等【4 】。 a u v 作为一种开发海洋特别是深海资源的工具具有无可替代的作用，近年 来由于先进材料、高效能源、计算机技术和信息技术的迅速发展，a u v 技术作 为各种技术的一个结合体也得到了快速发展。 1 2 2 国内外研究现状 水下机器人从上世纪五六十年代开始发展，前期由于技术的限制，发展不快， 自从1 9 6 6 年美国的c u r v 水下机器人在西班牙沿海将失落在8 6 8 米深处的氢弹打 捞上来以后，水下机器人受到广泛重视。 1 9 5 3 年第一台水下机器人下水，1 9 7 4 年增力d n l 9 台，1 9 8 7 年突破1 2 0 0 台，而 1 9 9 1 年已达到近万台。水下机器人发展到今天，数量和品种已非常多。近几年来， 已多达2 7 5 种，工作水深从几十米到上万米，重量由几十千克到几十吨，而且还 出现了许多专用水下机器人。 2 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 国外比较有代表性的水下机器人包括利5 】： ( 1 ) 美国海军研究生院( n a v a lp o s t g r a d u a t es c h o o l ，简称n p s ) 的海军官员和 科学家们研究a u v 的自行设计和建造。他们先后开发了三种类型的a u v ，包括 有：n p sa u vi ，凤凰号( p h o e n i x ) a u v 和白羊座号( a r i e s ) a u v 。 p h o e n i x 长2 4 4 m ，排水量为1 7 5 5 k g ，中性浮力，整体尺寸和形状为海豚形。 最大速度约2 节，续航力为2 3 小时。 n p sa u v 用于人工智能、控制系统技术、科学可视化以及系统集成中的基 础研究和论文工作。在军事上，可用于包括浅水雷区标图与灭雷等的水雷战。 ( 2 ) 美国麻省理工学院s e ag r a n t sa u v 实验室开发的水下机器人o d y s s e y i i ( 1 9 9 4 ) 。长2 1 5 m ，直径0 5 9 m ，排水量1 4 0 k g 。o d y s s e yi i 设计用于两个专门的 科学使命，即： 1 ) i 作于海冰下，实现标图，用来研究北冰洋下的海冰机制。 2 ) 可以检测中部大洋的山脊处火山喷发情况。 ( 3 ) 美国夏威夷大学的“o d i n ( o m n i d i r e c t i o n a li n t e l l i g e n tn a v i g a t o r ) 。 o d i n 是一个球形体，八个推进器，可以实现六个自由度运动，主要用途为海底 地貌观测。 ( 4 ) 日本东京大学生产技术研究所的浦瑗教授领导自治水下机器人方面的研 究工作。他们开发了t w i n - b u r g e r l & 2 、p t e r o a l 5 0 & 2 5 0 、t r i - d o g l 、t a n t a n 等多 个型号的a u v ，其中以观察型水下机器人为主，另外对于水下机器人的虚拟仿 真也有许多研究。 ( 5 ) 加拿大研究开发的著名a u v 有r a y 和s u n f i s h 。r a y 成功的演示了纵倾控 制，可以实现在耐压舱内向艏和艉移动重物。s u n f i s h 是一个专用a u v ，具有强 大的搜索功能。 ( 6 ) 英国对水下机器人的研究从1 9 8 8 年开始，其中1 9 9 5 年开发的“a u t o s u b 1 a u v ，主要用于对于海洋的探索以及海洋科学的研究，也具有相当的军事应 用前景。直至1 9 9 9 年，它已经为英国的海洋研究做出巨大贡献，完成了1 7 9 项工 程和科学使命。“a u t o s u b 1 的重量为1 7 t ，长度为6 8 m ，直径为0 9 m ，下 潜深度为5 0 0 m ，续航时间为5 0 h ，航程为2 6 3 k m 。 我国在水下机器人的研究上，主要研究院所有中科院沈阳自动化研究所和哈 3 自治水下机器人( a u v ) - - - 维结构设计及仿真分析 尔滨工程大学等。中科院沈阳自动化研究所先后研制开发了工作水深1 0 0 0 m 的 “探索者号无缆水下机器人，1 9 9 4 年完成海试；观察型、预编程控制的 “c r 0 1 无缆水下机器人，工作水深为6 0 0 0 m ，达到了实用水平；在此基础上 成功研制新型深水机器人“c r - 0 2 ，用于海洋的开发探索。 1 3 课题来源及主要内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划，2 0 0 9 a a l 2 2 3 3 0 ) ：“基 于声纳和水下视觉的深海复杂环境下a u v 组合导航系统关键技术”。 1 3 1 研究内容 课题主要的研究内容为： ( 1 ) a u v 主题几何参数优化、三维设计、动力学仿真分析。 ( 2 ) a u v 原型系统研制：开发a u v 虚拟原理样机，在f l u e n t 、a d a m s 、 m a t l a b 等软件环境下实现联合运动学、动力学仿真，对a u v 机电参数进行测 试和整定，达到优化目标；开发a u v 原型样机及推进系统，采用6 个分布在质 心水平面内的水下推进器实现6 自由度的运动。 ( 3 ) 摄像机间距调节机械系统结构优化设计及仿真分析。 ( 4 ) 扫描声纳的3 6 0 度旋转及安装和固定装置。 ( 5 ) 结构光、声纳、g p s 、深度计、d v l 和双目视觉等外部传感器的安装、固 定和密封装置，a u v 紧急上浮装置。 本文主要用到结构设计、f l u e n t 流体分析以及强度校核计算等知识，因此 采用理论分析计算、计算机仿真分析和试验研究验证相结合的研究方法。 1 3 2 实施方案 ( 1 ) 自治水下机器人结构设计 主要根据子课题组提供的电池、摄像机、激光器等元件的尺寸，设计舱体形 状尺寸，根据需要实现的功能，安排舱体空间位置，并设计安装框架及其导流罩 外形，根据需要实现的运动形式，安排推进器的布局，完成a u v 的结构设计。 而在材料选择的过程中，运用强度计算公式分析计算，并且运用c o s m o s 仿真 舱体的受压变形情况，结合两种结果，得出最优的材料及厚度尺寸，完成a u v 的设计。 ( 2 ) 流体分析数值模拟 4 自治水下机器人( a u v ) - - 维结构设计及仿真分析 主要利用大型计算流体( c f d ) 分析软件f l u e n t 对自治水下机器人的外流场 流动情况进行模拟，获取模型的受力情况，在对比分析中得出a u v 导流罩外形 几何参数对流体动力学的影响，并完成其几何参数的优化。最后对最终模型进行 整体仿真分析，进一步观察模型周围流体流动情况，为a u v 整体结构力学计算 提供依据。 ( 3 ) a u v 水动力分析 在设计全部完成的基础上，采用三维模拟仿真，研究不同情况下a u v 流动 情况，用于了解a u v 的运动过程，并且将仿真数据作为进一步研究及实验的基 础。 1 3 3 论文结构 本文研究并开发了一台a u v 原型样机，通过f l u e n t 等软件对其进行设计及 仿真研究，论文的组织结构如下： 第一章，论述了水下机器人的研究背景及研究意义，介绍了国内外水下机器 人的研究现状及其发展趋势，并介绍了课题来源及论文的主要研究内容。 第二章，在第一代开架式a u v 的基础上，进行a u v 原型样机从无到有的设 计过程，根据课题要求的指标，依次进行耐压舱、推进器、摄像机间距调节系统 以及整体布局的设计，其中对于耐压舱的壁厚设计部分，分别通过公式计算及 c o s m o s w 6 r k s 软件分析两种方法进行设计及验证，保证了a u v 设计的可靠性。 第三章，选用c f d 分析软件f l u e n t ，进行a u v 导流罩外壳的形状优化设计， 介绍了分析的基本理论以及设计过程的参数设置、网格划分等详细步骤，通过几 个模型的对比分析，选出最优模型，完成a u v 导流罩的优化设计。 第四章，在完成了整个a u v 的设计基础上，对a u v 整体进行三维水动力仿 真，模拟a u v 运动的情况，首先分别使用不同网格尺寸及计算模型对a u v 进行 仿真，选出最接近实际情况的网格及模型进行后续仿真，然后根据a u v 实际运 动的条件的变化，分别模拟了不同运动速度、不同工作深度、不同雷诺数以及不 同运行方式下的a u v 运动情况，作为实验及后续分析的基础。 第五章，全文的总结与展望，给出了论文的研究成果和创新点，并提出了进 一步研究的方向。 自治水下机器人( a u v ) 二维结构设计及仿真分析 2a u v 结构设计 2 1a u v 设计技术指标 本课题旨在根据项目设计任务书，研制一套a u v 原型样机，该课题需满足 的技术指标见表2 1 ： 表2 一la u v 设计技术指标 设计水深( m ) 1 0 0 0 运动自由度 5 航速( m s )o 2 水一卜持续工作时间( h ) = 8 摄像机间距调节系统t 位( m m ) 8 0 0 、1 6 0 0 扫描声纳t 作范围( 。)3 6 0 紧急情况 j 自动上浮 其中，需要实现的5 个自由度运动为： 表2 - 2a u v 的5 自由度运动 进退升沉横摇 纵摇摆艏 x 轴上的移动z 轴上的移动绕x 轴的旋转绕y 轴的旋转绕z 轴的旋转 2 2a u v 结构设计方案 4 、上a l ：。7 ：勺：殳ij ，二，0 。jf 、了_ 并：，t 、【j ，：一0 ；+ 、0 ：；。j 芏；ji ? ，i ，：冬j2 1 ：_ ；j ，j 图2 1 第一代开架式a u v 原型样机图2 2 第二代a u v 原琴! 样机 第一代开架式a u v 可以实现5 自由度的运动，其优点在于总体布置比较方 便，加挂和换装载体上的设备仪器容易，而且框架可以起到围护、支承和保护部 件的作用，但是这种结构运行阻力较大，而无缆水下机器人由于所携带的能源有 自治水卜机器人( a u v ) 二维结构设计及仿真分析 限，所以为增加水下运行时间，应减小动力消耗，即减小游动阻力。为此在第一 代的基础上提出了增加流线型外壳的第二代a u v ，如图2 2 所示。 2 2 1 耐压舱结构设计 耐压舱分为两个舱体，舱体内装载工作元件，水下机器人舱体的设计在已有 部件的基础上进行，基础部件的尺寸参数来源于其他子课题组数据。 下舱体为电池舱，其中装载元件为电池组及a u v 推进器的控制盒，电池组 的尺寸如图2 3 所示，控制盒为2 6 2 x 8 6 x 4 4 ( m m ) 的矩形体。根据资料数据，并考 虑到安装元件需要支架定位，将舱体内径设计为3 2 5 m m 。为了最大的节省空间， 以减小a u v 体积，控制盒在舱体内按照如图2 4 所示的排列方式布局。根据电 池以及控制盒排列后的尺寸，将舱体设计为内径为3 2 5 m m ，外径为3 5 0 m m ，长 1 7 3 2 m m ( 包括两端端盖厚度) 的圆柱形舱体，电池舱工程图如图2 4 所示，图 中可以看出舱体内元件的详细布局。 一a c l ? # 一 1 s 2 - 5 二，”二二 i 1 一舱体端盖，2 垫圈，3 控制器支架，4 一控制器散热板，5 控制器，6 控制器支架连接套， 7 电池【司定支架，8 一电池i 古】定支架拉杆，9 电池同定中间支撑，1 0 电池舱 7 自治水下机器人( a u v ) 二维结构设计及仿真分析 上舱体为仪器舱，其设计同电池舱，仪器舱中装载的元件丰要为激光器、工 控机等数据信号采集元件，这些元件的尺寸均小于电池组尺寸，故而采用同电池 舱的3 2 5 m m 内径即可满足安装元件的要求，并且两舱体采用同样直径的设计有 诸多优点，例如便于加工，便于a u v 整体安装的设计，同时也利于a u v 的整 体平衡。由于激光器需要向外发射光信号，所以对于仪器舱设计了透光玻璃端盖 结构，即在端盖中部做孔，嵌入玻璃透光板，然后在透光板外部加上一个较小的 压紧端盖，该透光端盖的结构如图2 - 6 所示。仪器舱的工程图如图2 7 所示，图 中也可以看出舱体内元件的布局及舱体的尺寸。 篓| 2 - 6 透光端盖结构图 端盖 透光扳 透光板压 紧端盏 | | _ l 】 ? f | f | ? ；一f 一、| | 1 一 f ， v 。 j ， 。 1 ， ， 0 ， * ， 计 图2 7 仪器舱 i 程图 1 舱体端盖，2 o 型圈，3 一仪器固定支架，4 固定支架拉杆，5 仪器安装平台，6 一仪器平台中 间支撑，7 激光器平台支撑，8 激光器平台，9 一前端端盖，1 0 透光板，1 1 一透光板压紧端盖 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 对于耐压舱体的外径设计，由于涉及到壁厚，需进行强度分析，是耐压舱设 计的一个重要部分。对于此部分单独列出，在本章第三节中进行了详细叙述。 2 2 2 推进器排列设计 为了实现5 自由度运动，第二代a u v 仍采用第一代的5 个推进器控制，分 别是中部的2 个丰推进器、艏部的2 个垂向推进器和艉部的1 个垂向推进器。左 右对称于纵中剖面，如图2 - 8 所示。 1 点 、 一 一目日e w1 一 卜ii 工= = 丑 虿幽 4 屯一3 图2 8 推进器排列布局 推进器均为正反双转向推进器，通过该5 个推进器实现运动自由度要求的控 制过程，见表2 3 。 表2 35 推进器实现5 自由度运动的上作方式 推进器 ， 实现运动 l 23 4 5 进退正转( 反转) 正转( 反转) 升沉正转( 反转)正转( 反转)正转( 反转) 横摇正转( 反转)反转( 正转) 纵摇 正转( 反转)正转( 反转)反转( 正转) 摆艏正转( 反转)反转( 正转) 2 2 3 摄像机间距调节系统设计 摄像机工作状态的位置要求如图2 - 9 所示，为了满足该工位要求，设计采用 齿轮齿条机构加步进电机，实现摄像机两个工位的要求。摄像机间距调节系统的 设计图如图2 1 0 所示。为了最大节省资源，实现最优设计，该间距调节系统的 停止位置即为摄像机的第一工位8 0 0 m m ，当摄像机需要处于第z q l 位1 6 0 0 m m 9 臼治水f 机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 时，齿轮随着步迸电机旋转，带动齿条向外延伸，通过控制齿轮的转数控制摄像 机向外延伸的距离，以达到所需的工位。 2 - 9 ：。| 4 。1 j ji 一。j 。0 | 2 2 4 整体结构布局 根据已有的结构设计出部件后，需将部件统一装配成为一个整体，考虑到节 省空间以使a u v 整体尺寸最优，两个密封舱体采用上下布局的排列方式，两舱 及推进器用覆带捆绑后螺纹联接的方式固定于框架上，摄像机系统穿过框架，通 过卡片固定并螺纹联接于框架上。框架采用矩形结构，由不锈钢片焊接而成，整 体结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1a u v 整体结构图 2 2 5 材料选择 经过考察，本文选取7 0 7 5 t 6 铝筒作为耐压舱材料。 7 0 7 5 铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢，是商用最强力 合金之一。其细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制更与 重不同。 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 7 0 7 5 铝合金的物理特性及机械性能如下：抗拉强度5 2 4 m p a ，0 2 屈服强度 4 5 5 m p a ，伸长率1 1 ，弹性模量7 1g p a ，硬度1 5 0 h b ，密度2 8 1 0 k g m 3 。 7 0 7 5 铝合金主要用于：航天航空工业、吹塑( 瓶) 模、超声波塑焊模具、 高尔夫球头、鞋模、纸塑模、发泡成型模、脱腊模、范本、夹具、机械设备、模 具加工等。 7 0 7 5 铝合金特点： 1 高强度可热处理合金。 2 良好机械性能。 3 可使用性好。 4 易于加工，耐磨性好。 5 抗腐蚀性能、抗氧化性好。 综合上述特点，7 0 7 5 t 6 铝合金可以很好的满足本文a u v 的工作需要，故 选取该材料加工a u v 原型样机的耐压舱。 对于框架及履带结构，考虑其水下作业环境，选取铬镍不锈钢材料，铬镍不 锈钢不仅能耐大气、海水、蒸汽的腐蚀，而且能耐硝酸、硫酸、盐酸的腐蚀，有 良好的耐热性、焊接性、冷加工性。经过选取本文最终选定不锈钢3 1 6 作为履带 材料，1 8 c r - 1 2 n i 2 5 m o 。因添加m o ，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特 别好，可在苛酷的条件下使用；加工硬化性优( 无磁性) 。常适用于：海水里用 设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备；照像、食品工业、沿海地区 设施、绳索、c d 杆、螺栓、螺母。 a u v 框架结构外部具有导流罩结构( 此部分于第三章中详述) ，该结构除了 用于导流以减小a u v 的运行阻力外，还要为a u v 提供上浮力，保证a u v 在水 中作业的稳定性，考虑到这一点，导流罩采用浮体材料，进过考察比较，最终选 定s b m 0 4 5 浮体材料，该材料是一种轻质可加工固体浮力材料，是一种低密度， 高强度的轻质复合材料。具有密度小、浮力大、抗压强度高、吸水率低且稳定等 特点，具有良好的耐候性、耐海水性，密度p = 0 4 5 9 e r a 3 ，工作水深可达1 0 0 0 m ， 主要应用于水下机器人、海洋潜标、海底释放浮球等领域。综合考虑，s b m 一0 4 5 是合适可靠的浮体材料，可用于导流罩的加工。 自治水下机器人( a u v ) z 维结构设计及仿真分析 2 3a u v 耐压舱壁厚设计 a u v 工作于水下，电池舱与控制舱均是密封舱体，由于舱内外压差，耐压 舱需要承受一定的压力。对于耐压舱的壁厚设计，也是a u v 结构设计中重要的 一部分。本文通过数学计算对耐压舱的壁厚进行设计，并通过c o s m o s w b r k s 仿真模拟耐压舱受力变形情况，校验设计的可靠性。 2 3 1 数学模型 现处于设计状态的耐压舱，筒体内直径d = 3 2 5 m m 为定值，外直径d 根据壁厚 的改变而变化，筒长v l = 1 7 0 0 m m ，筒体壁厚均匀，无尖角。整个舱体采用同一种 材料7 0 7 5 t 6 铝合金制造，其参数如下： 工作压力：辟1 0 m p a ，弹性模量：庐7 0 g p a ，泊松比：y = o 3 。 设计要求：通过对壁厚的设计，使得最终在满足给定的刚度和强度要求下使 得整个耐压舱的重量达到最小。外径参考变化范围d 3 5 0 m m ，3 6 0 r a m 。 对外压圆筒决定其壁厚t 的主要因素是：圆筒的直径d ，圆筒的长度厶圆 筒材料的弹性模量e 和圆筒所承受的外载荷p ，既： t = f ( d ，l ，e ，p ) 按照破坏情况，受外压的圆柱形壳体可分为长圆筒、短圆筒，其判别公式为： 。4 o 。拄 ( 2 - ) 上式成立则为长圆筒，否则为短圆筒。 在外径变化范围内，4 o d 昙 4 5 5 3 m m ，5 2 3 8 m m ，远大于舱体的筒长 l = 1 7 0 0 m m ，故可以得出该设计舱体为短圆筒。短圆筒必须考虑两端边界对稳定 性的影响，其失稳时的波数为n 2 的正整数。 计算短圆筒的临界压力的公式很多，但广泛应用的公式是米赛斯( m i s e s ) 公式： 易= 一+ 上1 2 ( 1 - v 2 ) ( 悯3 卜( f 尺) r 1 2 - 1 ) + 蓿 1 + i 二l ( 2 2 ) 自治水下机器人( a u v ) 三维结构设计及仿真分析 式中：足筒壁厚为t 的圆筒可以承受的临界压力； 肛圆筒的半径，尺= 譬； 刀失稳时的波数。 工程上常用拉姆公式计算短圆筒的稳定性，它是由简化的米塞斯公式推导出 的近似公式【3 】： ：足= 淼 ( 2 - 3 ) 安全系数s 计算公式为： s 毒( 2 - 4 ) 由于从拉姆公式反推出壁厚t 的计算公式较为复杂，本文采取试算的方法， 在外径的变化范围内，推算合理的壁厚。计算如下： 当d = 3 5 1 m m ，t = - 1 3 m m ，代入公式计算得，此种情况下舱体可以承受的临界 压力 c = 2 5 9 e t 22 5 9 7 1 0 1 0 1 3 2 - - - - - - - - - - - ，= = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! - - - - - - - - ! l d x d t1 7 0 0 3 5 1 4 3 5 1 1 3= 1 1 4 6 胁 s ：生：一1 1 4 6 ：1 1 4 6 尸 1 0 当d = 3 5 3 m m ，t = 1 4 m m ，代入公式计算得，此种情况下舱体可以承受的临界 压力只= 1 1 8 m p a ，此时的安全系数s = 1 1 8 。 当d = - 3 5 5 m m ，t = 1 5 m m ，代入公式计算得，此种情况下舱体可以承受的临界 压力只= 1 3 9 m p a ，此时的安全系数s = 1 3 9 。 当d = - 3 5 7 m m ，t = 1 6 m m ，代入公式计算得，此种情况下舱体可以承受的临界 压力只= 1 6 2 m p a ，此时的安全系数s = i 6 2 。 查阅资料可以得出【3 1 ，对于水下机器人耐压壳结构，安全系数一般选取 1 2 5 1 5 ，从上述计算结果可以得出，选取1 5 m m 的壁厚既可有效的保证水下机 器人的安全，又能最大程度的节省材料及减轻a u v 的重量，所以本文选取1 5 m m 的耐压舱壁厚。 1 3 自治水下机器人( a u v ) - - 维结构设计及仿真分析 由此得出舱体壁厚尺寸为：内径d - - 3 2 5 m m ，外径d = - 3 5 5 m m 。 2 3 2 仿真模拟 在通过公式计算选定安全壁厚的基础上，为了保证壁厚设计的可靠性，运用 c a e 软件c o s m o s w o 挑s ，对耐压舱进行了静力分析，作为设计的进一步验证。 c o s m o s w b 舾是众多c a e 软件中的一种，是与s o l i d w o r k s 无缝集成的快 速有限元分析软件，它提供了诸如静态分析、频率分析、扭曲分析、热力分析、 掉落测试、疲劳分析、优化分析和非线性分析等模块，为机械设计工程师提供了 比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术( f f e ) ，工程师能非常迅速 地实现对大规模复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信 息。分析的模型和结果与s o l i d w o r k s 共享一个数据库，也就是说设计与分析数 据将不再需要繁琐的双向转换操作，因而分析也与计量单位无关。在几何模型上， 它可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地 自动更新。计算结果也可以直观地显示在s o l i d w o r k s 精确的设计模型上。这样 的环境即操作简单又节省时间，而且对硬盘空间资源要求很小。同时 c o s m o s w b r k s 也提供了强大的实体有限元网格划分和求解技术，其优化分析的 求解流程如图2 1 2 所示【2 8 1 。 匦磊固 图2 1 2c o s m o s w o r k