水下機器人載體框架的強度分析和試驗驗證

□方勇

中國船舶重工集團公司 第七一○研究所 湖北宜昌 443003

隨著各國經濟的飛速發展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正在日益減少。為了生存和發展，人們開始向海洋進軍，近20年來，美國、日本、法國和俄羅斯已開發了多型水下機器人，運載各種科學儀器和探測設備精確地到達各種深海復雜環境，進行高效的資源勘探、科學考察和打撈作業［1］。20世紀90年代初，我國也相繼投入大量的人力和物力進行水下機器人的研究開發。

載體框架是水下機器人的重要組成部分，既是傳遞各種載荷的承力構件，又是裝載探測設備等儀器的載體，因此，載體框架的結構設計關系到水下機器人航行任務的成敗。在方案設計初期需要對其進行強度分析和計算，并根據計算結果反復修改設計，直至滿足總體要求。

在目前的大型結構設計分析中，人們常常采用傳統力學分析與有限元相結合的方式。本文根據總體提供的載荷數據，采用傳統力學公式與ANSYS軟件進行了強度分析和計算，通過建立合理的有限元模型，得到了應力和變形狀態，并通過加載試驗對載體框架進行了驗證，保證了其安全性和可靠性。

1 載體框架的強度分析

1.1 載體框架的結構組成

載體框架的結構組成如圖1所示，主要由前法蘭、后法蘭、加強筋、主承力管和輔承力管等組成。框架采用不銹鋼型材和加工件焊接成型，上下兩根主承力管和四根輔承力管貫穿全長，作為承力主梁；軸向布置加強筋，加強筋與承力管焊接為一體；承力管兩端焊接前法蘭和后法蘭。艏、艉艙的載荷通過法蘭傳遞至載體框架，載體框架的下部設計有各種探測設備和儀器的安裝接口。

1.2 載體框架傳統力學分析

載體框架的受力簡化模型如圖2所示，艏、艉艙在框架的兩端法蘭處產生向下的力Q1、Q2及彎矩M1、M2，內部裝載設備產生的力簡化為均布載荷q,兩點起吊力為 R1和 R2。

將載荷數據代入相關公式計算可得載體框架的彎矩及撓度［2］，彎矩如圖3所示，撓度如圖4所示。

▲圖1 載體框架結構組成圖

▲圖2 載體框架受力模型圖

▲圖3 彎矩圖

▲圖4 撓度圖

載體框架的載荷是沿著垂直于梁軸的方向作用的，彎矩沿梁長度方向變化很迅速，在x=4.98 m處彎矩達到最大，最大彎矩為Mmax=283 595 N·m，最大彎曲應力為：

由圖4可以看出，最大撓度出現在載體框架的兩端，最大撓度為 νmax=3 mm＜［ν］=3.5 mm。

上述載體框架的傳統計算方法，只能算出某一截面的應力平均值，而不能完全反映框架上應力及分布的真實情況。因此，它僅用于對載體框架的驗算，而不能用于計算載體框架上某點（例如應力集中點）的真實應力值。使用有限元法對載體框架進行強度分析，只要計算模型簡化得當，受力約束處理合理，就能得到比較詳細的應力與變形分布情況［3］，這些是傳統計算方法難以辦到的。

1.3 載體框架有限元分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能夠進行包括結構、熱、聲、流體、電磁場等學科的研究，在機械制造、能源等領域有著廣泛的應用［4］。利用ANSYS進行零部件的結構分析是ANSYS應用最廣的方面，本文主要利用ANSYS軟件對載體框架的強度進行分析。

應用有限元法對載體框架進行強度分析時，必須首先合理地確定計算模型。ANSYS自身的幾何造型能力有限，需借助其它大型造型軟件建模。本文采用Pro/E軟件建立載體框架三維模型，由于模型結構復雜，建模時適當簡化，忽略對整體結構影響不大的小孔、小圓角、小倒角［5］。載體框架三維模型建立后，導入 ANSYS，進行有限元網格劃分，采用20節點Solidl86單元劃分為四面體和六面體混合網格，單元總數為575 947，節點數為2 533 402。載體框架的有限元模型如圖5所示。

載體框架材料為1Cr18Ni9Ti，其彈性模量為205 GPa,泊松比為0.3，材料密度為7 850 kg/m3。計算載體框架的垂直靜彎曲剛度和靜強度的方法是：將兩個起吊環固定，載荷按實際受力情況施加于載體框架上。經ANSYS計算，載體框架的應力云圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。

▲圖5 載體框架有限元模型

載體框架最大等效應力為656 MPa,主要集中在起吊點兩側，為應力集中點，其余各處應力均小于屈服極限。載體框架的最大變形量為8.7 mm，且變形量相對平衡。

2 載體框架的試驗驗證

在載體框架焊接完成并檢驗合格后，進行載體框架加載試驗。綜合考慮載體框架的工作負荷及安全系數，加載的最大質量確定為8 t。加載試驗采用逐次遞增加載方法，按 3 t、5 t、7 t、8 t逐漸加載，每次加載保持起吊狀態30 min，并進行3次起吊沖擊試驗。試驗過程中，觀察載體框架的受力變形；試驗后，仔細檢查焊縫，所有焊縫應無裂紋。載體框架經加載試驗驗證，強度、剛度滿足設計要求。

3 結束語

應用Pro/E軟件建立了載體框架的三維模型，模型簡化后導入ANSYS軟件中進行了靜強度和靜剛度的分析計算，并采用加載試驗的方法對分析結果進行了驗證。試驗結果表明，載體框架強度、剛度滿足設計要求，使用安全、可靠。

▲圖6 載體框架應力云圖

▲圖7 載體框架位移云圖

［1］ 陸蓓.深海載人潛水器耐壓球殼極限強度研究［J］.船舶力學,2004（1）:51-58.

［2］ 孫訓方,方孝淑.材料力學［M］.北京:高等教育出版社,1994.

［3］ 邱勇，胡曉兵，趙彥植.基于ANSYS的柔輪應力與應變的有限元分析［J］.機械制造,2012,50（8）:14-16.

［4］ 劉興龍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析［J］.機械工程與自動化,2013（2）:60-61.

［5］ 任軍輝.基于ANSYS的轉臺強度與模態分析［J］.機械制造,2010，48（9）:19-21.