水下機(jī)器人耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

0引言

隨著深海資源的廣泛探索和開發(fā),水下機(jī)器人在深水環(huán)境中的應(yīng)用逐漸成為海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。其中,水下機(jī)器人的耐壓艙作為確保其在深水操作中穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),對(duì)機(jī)器人性能和內(nèi)部關(guān)鍵組件的安全性至關(guān)重要^[1]。水壓隨著機(jī)器人工作深度的增加會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),而超過(guò)一定深度后會(huì)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力甚至造成破壞。因此,耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為水下機(jī)器人工程中的關(guān)鍵一環(huán)。

水下機(jī)器人耐壓艙的結(jié)構(gòu)樣式多種多樣,常見(jiàn)的有球形結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)及多層結(jié)構(gòu)等^[2]。球形結(jié)構(gòu)可以均勻分擔(dān)水壓力,相對(duì)于其他形式結(jié)構(gòu),其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。但球形結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致艙體內(nèi)部空間利用率較低,能放置的儀器數(shù)量大大減少。圓柱形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性雖不及球形結(jié)構(gòu),但空間利用率較高,適合內(nèi)部?jī)x器較多的水下機(jī)器人^[3]。多層結(jié)構(gòu)通過(guò)增加層數(shù)來(lái)增強(qiáng)艙體的強(qiáng)度,形狀多種多樣,雖然各方面都優(yōu)于球形和圓柱形,但制造成本較高。耐壓艙具體選用哪種結(jié)構(gòu)形式,需要結(jié)合水下機(jī)器人的工作性質(zhì)、工作環(huán)境及預(yù)算等多方面因素而定。

耐壓艙的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到水下機(jī)器人的靈活性和經(jīng)濟(jì)性,更關(guān)系到機(jī)器人整體的安全性。目前,關(guān)于耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)外專家和機(jī)構(gòu)已取得了一些成果。王鵬飛等人^[4]提出了一種基于有限元法的復(fù)合材料耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并用外壓試驗(yàn)證明了該方法的準(zhǔn)確性,彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)復(fù)合材料耐壓艙設(shè)計(jì)的空白。praba等人^[5]設(shè)計(jì)出一種軍用加筋復(fù)合材料潛水器耐壓殼,利用LS—DYNA對(duì)耐壓殼進(jìn)行了非線性動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)該種耐壓殼可以一定程度降低水下爆炸帶來(lái)的影響。包海默等人^[6]以箱鈍為仿生對(duì)象,設(shè)計(jì)出一種水下捕撈機(jī)器人的仿生耐壓艙。利用數(shù)值分析驗(yàn)證了該仿生耐壓艙相對(duì)于常規(guī)樣式耐壓艙阻力更小,水下運(yùn)動(dòng)更加靈活。

本文以CCS的《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》^[7]為基礎(chǔ),初步得出水下機(jī)器人耐壓艙的形狀和構(gòu)件尺寸。基于有限元法,利用ANSYS軟件對(duì)耐壓艙的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核,確保耐壓艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí),考慮到水下機(jī)器人在工作時(shí)耐壓艙主要負(fù)載為壓應(yīng)力,為了防止耐壓艙出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題,影響水下機(jī)器人的整體安全,文章基于ANSYS的Buckling模塊對(duì)耐壓艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲分析,確保了耐壓艙的穩(wěn)定性。

1 耐壓艙殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人最大潛入水深為200 m,此時(shí)耐壓艙承受的最大水壓力p=ρgh=1.96Mpa。但為了保證耐壓艙的安全性,耐壓艙的極限承載壓力需要在最大設(shè)計(jì)水壓力基礎(chǔ)上還留有一定的裕度。根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,耐壓艙的極限承載壓力p_m可以表示:

p_m=?gp (1)式中:?為與機(jī)器人最大工作水深有關(guān)的安全系數(shù),本文取1.5。

耐壓艙形狀的選擇與工作水深和內(nèi)部?jī)x器數(shù)量有關(guān), 目前市面上常見(jiàn)的形狀有圓柱形、球形、圓錐形等。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論,在同一水深下,圓柱形和圓錐形耐壓殼所受的應(yīng)力會(huì)小于圓柱形,穩(wěn)定性也高于圓柱形。但近些年人們對(duì)海洋的開發(fā)和探索已經(jīng)從淺海走向深海,而隨著水深的增加,耐壓艙內(nèi)部的儀器也需要調(diào)整為相應(yīng)的合理配置,深海任務(wù)通常需要更多的傳感器和設(shè)備來(lái)適應(yīng)極端的水下環(huán)境。針對(duì)上述情況,內(nèi)部空間利用率更高、能安置儀器數(shù)量更多的圓柱形耐壓艙往往受到設(shè)計(jì)人員的青睞。本文也選用圓柱形作為設(shè)計(jì)耐壓艙的形狀,依據(jù)圓柱形殼體小撓度理論,圓柱耐壓艙的壁厚t可以根據(jù)下式計(jì)算:

式中:D為耐壓殼的外徑;P_cr為臨界失穩(wěn)壓力;L為耐壓殼的長(zhǎng)度;E為耐壓艙周向的平均彈性模量。

為滿足強(qiáng)度要求,耐壓艙內(nèi)部會(huì)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)形式有縱向式和周向式兩種。縱向式加強(qiáng)筋雖然使耐壓艙整體更加穩(wěn)定,但會(huì)一定程度影響到內(nèi)部放置儀器的空間。從空間利用率角度出發(fā),本文在耐壓艙內(nèi)殼設(shè)計(jì)4根周向加強(qiáng)筋。圖1為水下機(jī)器人耐壓艙三維模型示意圖。

2 耐壓艙強(qiáng)度校核

耐壓艙作為水下機(jī)器人的儀器放置艙,其結(jié)構(gòu)安全對(duì)于整個(gè)水下機(jī)器人非常重要。文章首先對(duì)設(shè)計(jì) 的耐壓艙強(qiáng)度進(jìn)行校核,檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否滿足安全要求。利用有限元通用軟件ANSYS對(duì)耐壓艙進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。耐壓艙有限元網(wǎng)格采用Solid186單元,該網(wǎng)格單元精度較高^[9]。約束條件參考CCS的《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》,對(duì)耐壓艙縱中剖面施加對(duì)稱面約束,側(cè)面施加三個(gè)方向的位移約束。施加外載為耐壓艙的極限承載壓力(200m水下作業(yè)深度)。圖2和圖3分別為耐壓艙的靜強(qiáng)度和變形計(jì)算結(jié)果。

本文采用的材料為6061—T6鋁合金,其屈服強(qiáng)度為275 MPa。依據(jù)CCS規(guī)范,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取0.8,則該耐壓艙的許用應(yīng)力為[σ]=0.8σ_s=220 MPa。從仿真結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的耐壓艙最大應(yīng)力為103 MPa,該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耐壓艙的許用應(yīng)力值,故設(shè)計(jì)的耐壓艙強(qiáng)度滿足安全要求。設(shè)計(jì)的耐壓艙最大變形量為0.0367 mm,6061—T6鋁合金材料的延伸率在10%~15%,故設(shè)計(jì)的耐壓艙剛度也在許可范圍之內(nèi)。

3 耐壓艙穩(wěn)定性分析

水下機(jī)器人在水下工作時(shí),耐壓艙更多地受到壓應(yīng)力的作用,僅僅對(duì)耐壓艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的^[10]。當(dāng)物體受力以壓應(yīng)力為主時(shí),更應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)問(wèn)題。本文首先以特征值屈曲分析方法為基礎(chǔ),利用Boles公式計(jì)算出該耐壓艙的屈曲臨界失穩(wěn)壓力P_cr:

式中:E為材料的楊氏模量,取71 GPa;v為泊松比,取0.3;δ為耐壓艙殼體厚度,其值為5 mm;D為耐壓艙殼 體外徑,其值120 mm。

最終,計(jì)算得到耐壓艙的屈曲臨界失穩(wěn)壓力為11.29 Mpa。

估算耐壓艙的等效受壓面積S_e為1.26 m²,則根據(jù)下式計(jì)算出耐壓艙的等效屈曲臨界載荷F_cr:

F_cr=P_cr ×S_e=1.42×10⁷N(4)

本文利用ANSYS-Buckling模塊對(duì)水下機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行特征值屈曲分析。在耐壓艙殼體的尾端施加固定約束,在首端施加大小為1 N的軸向壓力,求解出耐壓艙前六階的屈曲臨界載荷 ,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4 (a)~(f)。

特征值屈曲分析通常取第一階臨界載荷作為耐 壓艙的屈曲載荷 , 由計(jì)算結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)耐壓艙第 一階屈曲載荷為1 .73×10⁶ N ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效屈曲臨 界載荷 ,故該耐壓艙設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性的要求。

4   結(jié)論

文章建立了一種基于規(guī)范和有限元法相結(jié)合的 水下機(jī)器人耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 ,得到如下結(jié)論:

1)本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人耐壓艙其強(qiáng)度 、剛度 及穩(wěn)定性均滿足安全使用要求 ,設(shè)計(jì)基本合理。

2)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn) , 該耐壓艙計(jì)算 出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與許用應(yīng)力相比 ,依然留有一定的安 全裕度 ,從經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)角度出發(fā) ,后期可進(jìn)一步進(jìn)行 優(yōu)化。

3)對(duì)于水下機(jī)器人耐壓艙而言 , 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)比結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度不足更容易發(fā)生 。在耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮靜強(qiáng)度問(wèn)題 ,還必須考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
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2024年第11期第11篇