水下自主航行器结构设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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水下
自主
航行
结构设计
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摘 要
海洋是人类尚未完全开发的巨大宝库，有效的利用海洋及湖泊的资源对于人类的生存和发展至关重要。水下机器人在水下资源的开发与探查、民用方面搜救与科研、军事侦察与对抗等方面都是非常重要的组成部分。水下机器人由于其独特的水下环境适应性、相较于人工的方便性等优势，目前已经成为当今社会的热门研究领域。
本文根据设计任务书，设定水下自主航行器的技术指标，针对水下自主航行器分层设计，主要进行水下自主航行器的结构设计，水下自主航行器的耐压壳体设计，其中包括耐压壳体的材料选用、计算校核、密封设计以及观察窗的设计；水下自主航行器推进装置与舵的设计，其中包括推进器排列设计、推进器的选用、系统与舵的设计、密封设计；水下自主航行器的防腐蚀设计。
对于水下自主航行器具体的设计从分层设计入手，由上至下进行设计，分别采用具体设计、概念设计、预留空间等设计方法。初步设计的具体方法为：判别设计要求之后，结合前人所做的数据分析，从多种设计方案中选用最优的设计方案进行进一步的研究，随后选用经验公式进行初步的校核，完成初步的设计。
为了更好的研究AUV的水下性能，本文选用solidworks的SimulationXpress功能对AUV进行静态分析，主要对于AUV的耐压壳体、舵进行校核，就压力、变形以及安全系数三个大体方面进行分析。通过对于耐压壳体、舵整体施加压力，划分网格，进行静态分析。
对设计完成的AUV进行基于Ansys Workbench三维动态分析，模拟AUV附近流场的运动，划分网格、设定边界条件，分析得到结果，将分析得到的结果与经验公式的计算值相比较，综合考虑速度与压力等因素，验证设计的安全可行性。设计合理则采用，反之修改设计，最终完成AUV的整体结构设计工作。
关键词：自主水下航行器；结构设计；有限元分析；仿真模拟
- 内容简介：
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1 本科毕业 论文 （设计） 开题报告 题 目 _水下自主航行器结构设计 _ 2 一、 选题 依据 课题来源、选题依据和背景情况 ； 课题研究目的、 学术价值或 实际应用价值 课题来源 、 选题依据 和背景情况 ： 产品的发展离不开技术与经济的支持，水下自主航行器 （ 在二十世纪六十年代发展初期由于其 体积、效率、造价等与同时期的有缆 无人水下航行器（ 相差较大，一度低迷， 伴随着新兴技术的发展，自航行器的发展面貌焕然一新。参考 国外的 的水下自航行器发展经验以及多种机器人产品的发展经验，水下自航行器的发展必然离不开 可交换性、通用化、模块化的发展，研究水下自航行器的本体结构设计，并不局限于某种具体的传感器搭载的 水下自主航行器 的研究是必要并且具有重大意义的。 目前国内缺乏对于水下自主航行器的 单独模块 研究，研究模块化的核心是将产品以功能划分并且 进行相关研究，而水下自主航行器的本体结构研究是研究模块化的基础，水下自主航行器带有的其他系统是整体 水下自主航行器 模块框架下的子模块，子模块的研究独立于总模块，但同时需要遵循总 框架 下的标准规格。水下自主航行器结构是支撑子系统的整体结构，研究其本体结构就是研究总模块。 课题研究目的 、 学 术价值或实际应用价值： 完成水下自主航行器的本体结构设计，搭建水下探测传感器的运行平台，进行浅水淡水域水下自主航行器本体结构的通用化、模块化的研究 ， 确定在多种功能要求下 的通用水下自主航行器总 结构框架 的最优设计。 现今水下自主航行器存在的问题大多集中于通讯、能源、控制以及经济性，研究水下自主航行器的本体结构的通用设计，对于水下自航行器的生产成本以及能源问题的解决具有重大意义。 水下自主航行器 总体 结构的模块研究有利于刺激民用 水下自主航行器 的发展，使其复杂的系统分解后可以达到平行操作，子模块 都能成为一个单独的 产品 进行研究，最大程度的发挥生产和组织的优势，刺激 水下自主航行器 商业的发展，进而促进产业整体的发展。 3 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查 阅 的 主要 文献 国内外研究现状、发展动态 水下机器人在军事以及国民经济 中发挥重要的 作用，国内外对于水下自主航行器的研究与发展给予了高度的重视。水下自航行器（ 二十世纪开始发展，七十年代步入探索阶段，并于八十年代进入原型设计和设计阶段，概念验证原型 到开发、检测和应用，这时候的 于早期原始阶段，体型大、效率低、造价高。这种情况 持续到九十年代，水下自航行器由原型进入样机阶段， 发展与微电子技术、计算机技术、人工智能技术、小型化导航设备、控制软件等息息相关，九十年代众多技术为 研究提供了可行性，水下自航行器走向成熟。 国内外水下自航行器 在国家的支持下持续发展。 美国的 术发展起始于 美国华盛顿大学 时这也是世界 起始。美国存在年度的大学 赛，也有年度海上“ 会，全国十余 所 究前沿机构 参会 。国内拥有 多所知名 究机构。产品包括在伊拉克战争中大放异彩的 2系列、科考用的 2型号、高性能小型 2等。并且在国家层面具有“海军无人潜航器计划”等战略计划，北约也有 人水下航行器发展计划。 日本作为岛国一直重视海洋的开发，是深海 发的强国， 1995 年“海沟”作为当年的世界纪录保持者，下潜深度达到 10911m，其他 有如在海洋调查方面的 、 50（图 2等型号 体偏向民用深海开发，拥有三菱重工业公司等领军公司机构；英国较著名的有 统公司的 2军用多用途 国拥有科研用 ；俄罗斯 也自二十世纪 60 年代开始研发，拥有如军用 、 2等多个型号的挪威 拥有自身的军用 展计划，并且拥有 2系列等 加拿大 的大型“ 执行北冰洋海底光缆铺设时大放异彩，同时拥有 澳大利亚 拥有“海龟”用以水下研究以及“瓦亚巴” 等 中国 发展围绕两核心，一是中科院沈阳自动化研究所、中船重工 702 所、中科院声学院、哈尔滨工程大学共同研发的探索者号，以及中国大洋矿产资源开发研究协会支持的中科院沈阳自动化研究所以及俄罗斯合作的“ （图 2和“ 是以哈尔滨工程大学、 702 所、 709 所、华中理工大学合作的“智水”系列。同时国家层面具有“ 863”计划。 前向着深海远航、导航通讯一体化、隐蔽性、小型化、智能化、灵活 的机动性以及多使命的重构性、多 同方向发展。 军用 发展是国家国防力量的重要保证，目前主要在 九个方面重点发展：情报 /监视 /侦察能力（ 水雷对抗能力（ 反潜战能力（ 检测 /识别能力（ 海洋学能力、通信 /导航网络节点能力（ 有效载荷发送能力、信息战能力（ 时敏打击能力（ 图 2- 1 图 2- 2 4 图 2- 3 图 2- 4 2- 5 图 2- 6 2- 7 2- 8 阅的主要文 献 1 马伟峰，胡震 . 研究现状与发展趋势 . 中国船舶科学研究中心 . 2 高富东 . 复杂海况下新型水下航行器设计与关键技术研究 . 国防科学技术大学研究生院 . 3 王刚 . 基于多传感器的 制系统 . 哈尔滨工程大学 . 4 宋寿山 . 基于多 推进器 的 模与控制器设计 . 西北工业大学 . 5 杨峻巍 . 水下航行器导航及数据融合技术研究 . 哈尔滨工程大学 . 5 6 吴乃龙 . 小型 力学建模及推力控制研究 2012,6. 7 温秉权 . 小型浅水域水下自航行器系统设计与试验研究 学 . 8 孙丽 . 自治水下机器人 (维结构设计及仿真分析 2011,6. 9 赵涛，刘明雍，周良荣 . 自主水下航行器的研究现状与挑战 . 西北工业大学航海学院 . 10 S. N. S. D. S. J. C (012) 93(3):217228 11 A a 2012) 16:465468 12 S. D. a of 010,1(1), 259268 13 , , (1991) A of an J :339370 6 三、研究内容 1 学术构想与思路 ； 主要研究内容及拟解决的关键 问题（或 技术 ） 学术构想与思路： 本课题研究水下自主航行器的结构， 有多个系统共同工作，包括推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统、传感器系统、螺旋桨推进器，各个系统具有多种选择方案，例如推进器系统使用螺旋桨推进器、喷水推进器或者矢量推进器等 。 对于水下自主航行器 以 具体功能为单 位 进行 分析，合理安排水下自主航行器内外空间 ； 通过优化设计 对 不同方案组合选优创建本体结构模块划分与设计。利用相关软件进行强度、刚度校核，浅水淡水域不同区域划分，创建 面向不同 水域的相应模型。 主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）： 本课题研究水下自主航行器的结构设计，运用机械学的知识拟采取多种方案取优，并通过 相关软件分析 结构强度。主要设计水下自主航行器的结构，对于水下自主航行器的结构形体设计，研究外部形态设计，多重考虑水压等因素；设计内部空间划分，为水下自主航行器搭载其他系统预留空间；考 虑其他水下自主航行器可能遇到的阻碍与困难，总体设计，研究在浅水域 的通用水下自主航行器结构设计。 拟解决的关键问题： （ 1）耐压舱壁厚的优化设计 。 （ 2）关键部件的强度校核 。 （ 3） 构的通用化设计。 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 拟采取的研究方法： 1、首先对水下自主航行器预研，确定主要的研究对象以及拟解决的关键问题； 2、对于预研结果评估，满足要求则对于预研结果研究，反 之 返回第一步； 3、给出研究结果； 4、评估研究结果，满足要求则进行相关试验，深入研究， 反 之 返回第四步； 5、在目标结果上设计并且实现系统，给出性能评价结果。 拟采用的技术路线和实施方案： 本课题的研究关键在于对于水下自主航行器的分功能模块研究，以及使用优化方法找出最优的普适解，再对于取得的最优解进行相关校核，包括强度、刚度、特殊水域的特殊性能要求校核等。 1、分析现有自主水下航行器现有功能以及相应结构； 2、对于分析的结果分门别类； 3、对于水下自主航行器分类进行穷举，列出不同组合； 4、分析各组合优劣，选择最优方案； 5、利用相关软件对于选出的最优方案进行校核。 7 四、论文 （设计） 进度 安排 起止时间 主要内容 预期目标 析现有自主水下航行器现有功能以及相应结构并分门别类。 对于水下自主航行器分类进行穷举，列出不同组合。 完成相应二维图纸、三维造型的设计。 整体校核，软件模拟分析，关键部位校核等。 修改完善设计资料，完成论文。 准备论文答辩。 初步确定课题研究方法，完成开题报告 分析找到最优方案 建立三维模型，绘制零件图和装配图 校核分析结果 完成毕业论文 完成答辩 8 五、 审 核 意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 注： 1、 表格不够 可加附页。 2、 审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。 本 科 毕 业 设 计 水下自主航行器结构设计 I 摘 要 海洋是人类尚未完全开发的巨大宝库， 有效的利用海洋及湖泊的资源对于人类的生存和发展至关重要。水下机器人在水下资源的开发与探查、民用方面搜救与科研、军事侦察与对抗等方面都是非常重要的组成部分 。 水下机器人由于其独特的水下环境适应性、相较于人工的方便性等优势，目前已经成为当今社会的热门研究领域。 本文根据设计任务书，设定水下自主航行器的技术指标，针对 水下自主航行器分层 设计，主要进行水下自主航行器的结构设计，水下自主航行器的耐压壳体设计，其中包括耐压壳体的材料选用、计算校核、密封设计以及观察窗的设计；水下自主航行器推进装置与舵的设计，其中包括推进器排列设计、推进器的选用、系统与舵的设计、密封设计；水下自主航行器的防腐蚀设计。 对于水下自主航行器具体的设计从分层设计入手，由上至下进行设计，分别采用具体设计、概念设计、预留空间等设计方法。初步设计的具体方法为：判别设计要求之后，结合前人所做的数据分析，从多种设计方案中选用最优的设计方案进行进一步的研究，随后选用经验公式进行初步 的校核，完成初步的设计。 为了更好的研究 水下性能，本文选用 行静态分析，主要对于 耐压壳体、舵进行校核，就压力、变形以及安全系数三个大体方面进行分析。通过对于耐压壳体、舵整体施加压力，划分网格，进行静态分析。 对设计完成的 行基于 维动态分析，模拟 分网格、设定边界条件，分析得到结果，将分析得到的结果与经验公式的计算值相比较，综合考虑速度与压力等因素，验证设计的安全可行性 。设计合理则采用，反之修改设计，最终完成 整体结构设计工作。 关键词： 自主水下航行器；结构设计； 有限元分析 ；仿真模拟 he is a of of of is in of is of to a in s to UV UV UV UV of of UV of a of a of In to UV UV UVs be on of in on of UV II of to of is of UV V V 目录 1 绪论 . 1 究背景及意义 . 1 下机器人概述 . 2 下机器人分类及特征 . 2 内外研究现状 . 2 题主要内容 . 5 究目的 . 5 究内容 . 5 解决的关键问题 . 5 究方法 . 6 2 体结构设计 . 7 计 参数及分层设计 . 7 计参数 . 7 层设计 . 8 压壳的设计 . 8 压壳的整体形状设计 . 8 压壳体内部空间划分设计 . 9 压壳体的材料 . 10 压壳体的计算 . 10 压壳体的密封 . 11 察窗的设计 . 12 章小结 . 13 3 层 系统设计 . 14 进装置与舵 . 14 进器的排列设计 . 14 进器的选用 . 15 推进系统与舵的设计 . 16 进系统与舵的密封设计 . 17 源系统设计 . 18 腐蚀 . 19 章小结 . 19 4 关键部分校核 与分析 . 21 键部位的校核 . 21 机与舵 机连接轴的校核 . 21 心的校核 . 22 于 静态分析 . 22 机与舵机连接轴的分析 . 22 压壳主体分析 . 26 的分析 . 29 于 态分析 . 32 格划分 . 32 界条件的设定 . 33 析结果 . 33 章小结 . 36 全文展望与总结 . 37 参考文献 . 39 致谢 . 41 1 绪论 1 1 绪论 究背景及意义 从人类赖以生存的资源出发，世界经济的发展、人口的增加导致人类对于资源的需求与日俱增， 而海洋覆盖了地球约百分之 71 的面积。海洋蕴含着丰富的资源，是一片尚未完全开发的宝地，世界各国对于海洋资源的争夺与开发已经愈演愈烈 ，而开发海洋需要各种海洋设备的支撑。 海洋具有丰富的资源，海洋生物可以食用、药用、科研、娱乐观赏与提取生物能等；海洋潮汐、温差等物理资源可以用于发电；海洋中的化学资源，例如海水中的淡水、 痕量元素 （金、铀、氘、溴、碘、镁、钾 等 ）、化合物（食盐、 芒硝 、石膏、 重水 、 卤水等 ）等 ；海洋中的矿物资源（ 锰核、石油、 天然气 、 矿砂 、底砂 等 ） ；以及海洋的空间资源等 1。 海洋的竞争是新一轮的国际竞争，开发海洋需要高技术手段，对于海洋的开发与保护是维护可持续发展与国家安全的必然要求。 由于人的潜水深度有限，水下机器人 成为代替人类进行水下的作业 的重要工具，目前开发海洋的工作离不开水下机器人的发展。 从民用方面出发，水下机器人技术的发展为安全搜救、管道检查、科研教学、 水下娱乐、能源产业、考古、渔业等方面提供了科技的支持，使得安全检测工作、水下拆装工作、走私物品检测、水下目标观察、水下证据搜寻、海底打捞、 海洋考察、水下考古、深水网箱渔业养殖等工作能够顺利展开。 从军事方面出发， 21 世纪的海上力量离不开水下机器人的发展，在 9 个重点的方面：情报 /监视 /侦察（ 水雷对抗（ 反潜战（ 检测 /识别（ 海洋学、通信 /导航网络节点（ 有效载荷发送、信息战（ 时敏打击（ 我们都需要依赖水下机器人的高技术力量。 目前水下机器人向着深海远程 、导航通讯一体化、隐蔽性、小型化、智能化、灵活的机动性和多使命的重构性、多 调工作等方面发展。 毕业设计 2 下机器人概述 下机器人分类 及特征 水下机器人 可以粗略的分为两类，一类为载人的有人潜器，例如我国的“蛟龙号”，另一类为无人潜器。无人潜器可以分为有缆潜器与无缆潜器，有缆潜器可由岸基或者母船供能运行，但是无法离开岸基或者母船太远，同时，缆线也是制约有缆潜器的关键。有缆潜器可分为遥控型和拽航型，遥控型又可分为海中浮游型与海底行走型， 拽航型也可分为海中拽航型与海底拽航型；无缆潜器可分为监控型 与完全自主型，完全自住型分为智能型与预编程型两种。 另外按照用途、运动方式、控制方式等也可将水下机器人划分为不同种类，在此不一一叙述。 内外研究现状 水下机器人在军事以及国民经济中发挥重要的作用，国内外对于水下自主航行器 的研究与发展给予了高度的重视。水下自主 航行器（ 二十世纪开始发展 于 七十年代步入 发展 探索阶段，并于八十年代进入原型设计和设计阶段，概念验证原型 到开发、检测和应用，这时候的 于 初时 原始阶段，体型 臃肿 、效率 迟缓、造价昂贵 。这种情况持续到九十年代， 其发展 由原型进入 样机阶段， 发展与微电子科技 、计算机技术、 自主智能科技 、小型化 航线控制 设备、控制 科技 等息息相关，九十年代众多技术为 发展奠定了科技支持 促进其 走向成熟。 世界范围的自主航行器在国家 支持下持续 进步 。 美国的 术发展起始于 美国华盛顿大学 时这也是世界 起始。美国存在年度的大学 赛，也有年度海上“ 会，全国十余所 究前沿机构参会。国内拥有 多所知名 究机构。产品包括在伊拉克战争中大放异彩的 1列、科考用的 1号、高性能小型 1。并且在国家层面具有“海军无人潜航器计划”等战略计划，北约也有 人水下航行器发展计划。 日本作为岛国一直重视海洋的开发，是深海 发的强国， 1995 年“海沟”作1 绪论 3 为当年的世界纪录保持者，下潜深度达到 10911m，其他 有如在海洋调查方面的、 50（图 1型号 体偏 向民用深海开发，拥有三菱重工业公司等领军公司机构； 著名的有 统公司的 护身符（图 1用多 功能 国拥有科研用 罗斯也自二十世纪 60 年代开始研发，拥有如军用 、 1多个型号的 威拥有自身的军用 展计划，并且拥有 1列等 拿大的大型“ 执行北冰洋海底光缆铺设时大放异彩，同时拥有 有“海龟”用 以水下研究以及“ 。 中国 发展围绕两核心，一是中科院沈阳自动化研究所、中船重工 702 所、中科院声学院、哈尔滨工程大学共同研发的探索者号，以及中国大洋矿产资源开发研究协会支持的中科院沈阳自动化研究所以及俄罗斯合作的“ 图 1“ 是以哈尔滨工程大学、 702 所、 709 所、 作的“ 水 )” 时国家层面具有“ 863”计划 9。 目前 发展依然存在着通信问题、能源问题、控制 问题以及经济性问题，由于水下机器人在海洋开发以及新时代军事对抗的需求， 21 世纪海上力量的发展离不开发展， 深海远程、智能化等 7 个方向，以及情报 /监视 /侦察能力（ 海洋学能力等 9 大重点能力是当代 展的趋势，以及很多研究机构的努力方向。 图 1 图 1业设计 4 图 1 图 1 1 图 1 1 1 绪论 5 题主要内容 究目的 完成水下自主航行器的本体结构设计，搭建水下探测传感器的运行平台，进行浅水淡水域水下自主航行器本体结构的通用化、模块化的研究，确定在多种功能要求下的通用 结构框架的最优设计。 研究水下自主航行器的整体结构设计，采用通用型的设计，方便控制、导航以及能源等模块的加入以及拓展，为日后海洋大学的水下自主航行器的结构研究提供参考样本，及其他部分的研究提供搭载平台。 究内容 课题的主要研究内容为： （ 1） 体的具体几何参数设计、三维设计、仿真分析。 （ 2） 进方式设计，确定动力源以及传动方式，选用相关零部件。 （ 3） 机系统设计，设计传动方式、连接方式以及 运动控制方式。 （ 4） 察窗设计，传感器舱的设计。 （ 5） 密封方式的研究与设计，应用于 壳体连接处，以及推进系统、舵机系统与观察窗部位。 （ 6）关键部位的强度校核以及 体的流体分析。 本文主要用到结构分析、流体分析以及强度校核设计等知识，因此采用理论分析与计算 机仿真结合的方式研究。 解决的关键问题 本课题研究水下自主航行器的结构设计，运用机械学的知识拟采取多种方案取优，并通过 相关软件 进行 流体分析 。主要设计水下自主航行器的结构，对于水下自主航行器的结构形体设计，研究外部形态设计，多重考虑水压等因素；设计内部空间划分，为水下自主航行器搭载其他系统 预留空间。 拟解决的关键问题： （ 1）耐压舱壁厚的优化设计。 毕业设计 6 （ 2）关键部件的强度校核。 （ 3） 构的通用化设计。 究方法 本课题研究 结构， 该机器运作时 具有多个系统 共同工作，包括推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统、传感器系统、螺旋桨推进器，各个系统具有多种选择方案，例如推进器系统使用螺旋桨 装置 、喷水 装置 或者矢量 装置 等。对于具体功能为单位进行分析，合理安排 设备 内外空间；通过优化设计对不同方案组合选优创建本体结构模块划分与设计。利用相关软件进行强度 与 刚度 的 校核 。 2 7 2 体结构设计 计参数及分层设计 计参数 本课题旨在依据项目说明书，设计研制一套 感器系统、控制系统的搭载平台，为日后研究 体设 计提供样本以及为 具有具体使命的 供搭载平台。 1. 水平航速选择：一般浅水域 速在 1，本文设计的 。 2. 运动自由度：设计 要实现 5 个自由度的运动，在 X 轴上的进退运动；在 Y 轴上的升沉运动；绕 X 旋转的横摇运动；绕 Y 轴旋转的纵摇运动；绕Z 轴旋转的摆艏运动。 3. 工作深度及最大下潜深度： 工作水深 为 常 作业 的深度，最大下潜 水深 是限 作业 深度，可以做 短 时间的 作业 以及 航行 ，极限 水深 不是破坏 水深。本课题选择作业水深 20m， 极限作业水深 25m。 4. 航线控制方式： 使用无线电波 遥控以及预设程序相结合，靠近水面时使用无线电波控制，水下按照预设程序工作。 5. 整体尺寸： 结合前人研究 ， 长与 横径 比在 57 范围 的流线型 形结构 能在 很好的削弱 阻力。出于稳定性考虑，本课题设计采取 1:6 比例， 25 6. 最大续航能力：本文 计最大续航能力 2h。 技术指标表格如表 2示： 表 2计技术指标 水平航速（节） 动自由度 5 工作深度及最大下潜深度（ m） 20/25 航线控制方式 预设程序 /无线电波 整体尺寸 25大续航时间（ h） 2 毕业设计 8 层设计 体可依据功能划分为 7 个部分，分别为推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统以及传感器系统。 依据设计说明书的要求，将 体结构的 7 个部分划分为 4 个层级，作为设计的指导，优先级依次递减，如表 2示： 表 2体结构层级划分 第一层级 耐压壳的设计 第二层级 推进器系统、舵的设计 第三层级 能源系统的设计 第四层级 控制、导航、传感器系统的设计 第一层级的耐压壳设计与第二层级的推进器系统和舵的设计为主 体设计，优先完成；第三层级的能源系统初步设计，设置大体的重量以及空间；第四层级控制系统、导航系统、传感器系统的设计为预留空间，由需要使用此搭载平台者自行完成。 压壳的设计 压壳的整体形状设计 耐压壳体的整体设计 必须 参照各方各面以达到任务的要求 ： 1. 阻力小，航行性能好； 2. 具有足够的强度； 3. 便于内部结构的整体布置； 4. 良好的工艺性，方便加工。 无缆水下机器人由于其没有电缆提供能源，出于减小行动阻力，降低能能耗的考虑，常做成流线型形体，更多的使用球形或者鱼雷型。球形耐压壳体形体 其 重量 小 ，受力 方便计算校核 ，但不利于 整体空间安排 ， 水下行驶较为困难 ；鱼雷型耐压壳体易加工制造、内部空间利用率最高、流体运动阻力小，但重量 部需要肋骨加强。 2 9 根据任务说明书，该 体结构设计用于提供平台，出于加工以及内部空间、行程阻力考虑，采用鱼雷型设计。下面对比不同鱼雷外型对于 体水下性能的影响，根据鱼雷型的特点，头尾分别选用不同的过渡形式，半圆形与流线型过渡，可将其分为四类， 具体为 2 2模型形式展现 ： 据研究，模型三所示头尾皆采用流线型的耐压壳形体阻力最小，但需要最大的特征长度，致使 寸过大；模型二所示头尾均采用半圆形过渡虽然特征长度最小，但会导致阻力过大；模型四的 体，在特征长度较大的情况下还会导致 驶阻力较大；模型一所示的耐压壳形体行驶阻力较小并且具有适中的特征长度，选择其作为最优耐压壳形体 2。 压壳体内部空间划分设计 本设计采用鱼雷型设计，头部采用半圆形设计，尾部采用流线型过渡设计。 个部分，考虑需要保证 稳定运行，应保持一定的稳心高 度，重心以及浮心需在同一垂直位置且浮心高于重心 7上。考虑 部分的具体功能以及运作方式，初步设计 耐压壳体内部划分如下图 2示： 图 2型一 图 2型二 图 2型三 图 2型四 毕业设计 10 初步设计为传感器以及观察窗安装于传感器舱与舱体 1 前段，舱体 1 与舱体 2 部分位置安装控制系统与导航系统以及前舵机，舱体 3用于安装能源系统与部分推进器系统，舵机舱用于安装后舵机与部分推进器系统。 压壳体的材料 目前高强度的铝合金已经广泛用于制作中小型水下机器人的耐压壳体和框架，铝合金的比 重较小，与其他的金属材料相比，可以在相等 W/V 值的情况下获得更深的工作深度，以及在更小的 W/V 值的情况下获得更大的负载能力。本次设计采用 061 铝合金，国内牌号 械性能如下表 2示： 表 2械性能 6061 铝合金 状态 b 兆帕 兆帕 b 310 275 17 95 压壳体的计算 耐压壳体需要确保壳体的强度及形状的稳定性，水下的耐压壳体厚度与曲率半径之比很小，可以视作薄壳结构计算，以保证壳体的应力小于 许用应力。 本次设计采用有限元分析的方法对于耐压壳体进行静态分析，同时分析其表面强度，分析过程及结果将在后文中提及。 本节主要进行耐压壳体的稳定性校核，按照破坏的情况划分，可将受外压的圆柱形壳体分为长圆筒和短圆筒，划分按照下述公式 （ 2确定： （ 2 传感器舱 舱体 1 舱体 2 舱体 3 舵机舱 图 2压壳体内部区域划分 11 公式成立，圆柱型壳体为长圆筒，可以忽略边界对于稳定性的影响，其压扁时波数为 2，临界压力仅与圆柱壁厚与圆柱的外径之比有关，与其长度无 关。反之，圆柱型壳体为短圆筒，必须考虑边界对于壳体稳定性的影响，临界压力与圆柱壁厚、圆柱长度、圆柱外径皆有关。 本次设计 壁厚 5截面直径 250整体 体 长 取 入上述公式得： L=15005000柱型壳体为短圆筒，使用米塞斯（ 式计算临界压力， 实际 工程上常用由米塞斯公式推导出的简化公式拉姆公式 （ 2代替米塞斯公式计算短圆筒的临界压力值 ： （ 2 根据 材料性质， 6061 合金的弹性模量为 入 （ 2式 计算 得： 09 /（ 1500 250 ） 0m 水深处压力约为 25m 处约为 足稳定性条件，耐压壳体尺寸 选用合理。 压壳体的密封 耐压壳体内装有控制、导航以及探测装置， 于 水下进行作业时需要 较高 的 封闭能力，保证没有丝毫的 泄露， 确保机器里装有的零 件隔离水的侵蚀 。同时耐压壳体必须有可拆卸的封头，自主航行器在 结束指定任务之后，必须时常维护检测 。 综上 ，要求 头两个表面进行安全可靠封闭。 本设计采用“接触密封法”使用密封元件 O 型圈进行密封， O 型圈在丧失变形复原性或初始的压缩之前可进行更换，而且成本较低、耐腐蚀性好、寿命长、弹性好，具体设计如图 2 2示： 2 /D D t毕业设计 12 图 2二维 纸，图 2三维模型。 如图 2示，耐压壳具有多个舱体，传感器舱与舱体一、舱体 3 与舵机舱采用图2图 2示的密封方式，舵机舱螺纹孔开 在坡面；舱体 1 与舱体 2、舱体 2 与舱体 3 采用图 2图 2示的密封方式。 察窗的设计 水下自主航行器需要通过耐压壳上的观察窗把水下观察对象的对应影像传输给摄像机镜头，同时观察窗需要保持连接部位的密封性能。观察窗玻璃 其光学性能 应当较好，不含 条纹、内应力等，能 抵抗 外部水压并且 外部不产生形变 。 观察窗具有三种结构形式，平圆盘形、截锥形与球扇形。平圆盘形（图 2加工安装，并且成本低，但其视界小、承受能力低，边缘易出现高弯曲应力，低压面中心易产生裂纹；截锥形（图 2水下机器人普遍采用的观 察窗，承载能力与视界范围优于平圆盘形，密封由接触面通过 O 型圈高压密封实现；球扇形（图 2改变视场角，没有畸变和色散，即折射引起的光学失真，应力为均压应力，且数值较小，球扇形承载能力较高，但是要求加工精度较高，安装的位置精度要求也较高 16。 图 2维密封示意 1 图 2维密封示意 2 图 2维密封示 意 1 图 2维密封示意 2 2 13 综合考虑本设计鱼雷型 头部设计与观察窗安装问题，采用球扇形观察窗，材料选用有机玻璃（丙烯酸塑料），相较于石英玻璃与钢化玻璃具有更好的韧性，并且变性前能提前预知，可以作为检测依据及时更换观察窗玻璃元件，观察窗整体设计 具体于图 2示 。 章小结 本章就 整体结构出发，研究 部系统，将其划分为 7 个系统。根据设计任务任务说明书，将 7 个系统按在结构设计中的重要程度划分为四个层级。完成了第一层级耐压壳体的设计，其中包括耐压壳体的形体设计、材料选用、分析计算以及密封设计，划分内部空间，为具体系统设计提供平台。 图 2圆盘形 图 2锥形 图 2扇形 图 2察窗设计图 毕业设计 14 3 层系统 设计 进装置与舵 推进器系统与舵为第二层级的设计， 体的运动通过推进装置与舵实现，并且含有很多的机械设计部分，是结构设计的关键部分。 进器的排列设计 按照设计要求，水下 自主航行器需要实现 5 个自由度的运动，考虑多种设计方案，可以采用多推进器的方式实现 水下自由运动；可采用单推进 装置 结合舵的形式实现 设备 的水下自由运动。 多推 动装置 方式实现 运动，可采用 5 个推动装置 ，具体排列 是为 下图 3通过 操纵 五个推 动装置工作状态，停止、正转与反转以 实现 个自由度 方向的运作 。推进器 3、 5 控制进退；推进器 1、 2、 4 控制升沉；推进器 1、 2 控制横摇；推进器 1、 2、 4 控制纵摇；推进器 3、 4 控制摆艏。 单推进器配合舵机控 制也可实现 自由运动，采用四个舵配合推进器使用，如图 3示，通过推进器 5 控制 进退，通过舵机控制控制舵 1、 2 与推进器 5配合完成升沉与纵摇运动，通过舵机控制舵 3、 4 与推进器 5 配合完成横摇与摆艏运动。 1 2 3 4 5图 3进方式 2 1 2 5 4 3 1 2 3 4 5图 3进方式 1 1 2 5 3 4 3 15 综合考虑，选用第二种方案，该方案减小了运动的阻力，减少了 成本，并且舵的使用提供了类漂浮器的效果，该点下文详述。 整体外形方案三维图是为 下图 3 进器的选用 推进器系统可以选用多类推进器作为水下自主航行器的动力源 提供航行所需的动能，初步考虑推进器种类有电机推进器，液压推进器，喷水推进器与矢量推进器。 中小型的水下自主航行器广泛采用电机推进器，直流电机成本较低，无刷直流电机随着电子技术的发展，近年的使用日渐兴起，运行可靠，维护简单；液压推进器具有良好的无极调速，并且易实现密封，成本低，安全性能好，多在大中型水下机器人中使用；喷水推进器利用高速水流反作用提供动力，水下机器人的操控较为简单，但在水中杂物或者水草较多区域，易被赌赛影响航速；矢量 推动装置 可以改变推进方向以及推进量，但要求较高。 综合考虑，本文选择电机 推动装置 作为 动力推进装置，结合螺旋桨 于尾部推 动完成航行 。 当水下自主航行 器 按照预设航速 前进时， 推力可根据下式 （ 3计算： （ 3 其中： 水的密度 ， A 潜器横截面积 ， 拉力系数，取 此 截面积： A=2 半径 R=代入得此推动 需要的 推动装置功率是为 ： 图 3进方式三维示意图 212 DF v 毕业设计 16 取速度为 4 节，约合 v=2m/s，代入计算得 ： P=1/2*1000kg/m3*虑电机带动过程中的损耗，选用 150w， 24v，编号 136198 电机，配套使用 42， 315星齿轮箱， 电编码器 。螺旋桨选用健正模型 旋桨。 进系统与舵的设计 推进系统使用电机通过联轴器带动电机传动轴运动，从而带动螺旋桨运动，速度由控制模块中预编程序或无线电波控制，如图 3示。 电机连接轴为阶梯轴，使用两 个角接触滚动轴承进行限位，三维图如图 3示。 本文水下自主航行器通过推进器系统提供动力，由舵完成整体方向的控制，完成直行、变向等动作。 本次设计采用如图 3示舵的布置，将调整 沉的两侧舵置于中部近前端，起类似水下
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