水下機器人碰撞動力學仿真與分析

錢光躍

摘 要：為了檢驗水下機器人的碰撞性能，本文利用了Ansys/Workbench中的Explicit Dynamics模塊對一種無人有纜水下機器人的碰撞過程進行數值模擬，并分析了該結構的碰撞性能。為水下機器人結構強度的分析提供了支持。

關鍵詞：水下機器人；Explicit Dynamics；碰撞；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.192

1 引言

隨著人類對于海洋探測及水下作業的增多[1]，水下機器人技術得到了快速的發展。而在水下機器人的實際操作過程中，因為工作母船受到惡劣海況的影響，及人為操作不當，都有可能產生與船體的碰撞。為了研究水下機器人與船體甲板碰撞對其結構產生的影響，本文以一種淺海有纜水下機器人為例，進行了有限元仿真。

2 數值模擬前處理

有纜水下機器人的框架一般為開架式結構[2]，由鈦合金、鋁合金或不銹鋼焊接而成。鈦合金質量較輕，強度高，抗海水腐蝕性強，是三種材料里最適合做載體框架的選材。本文研究的水下機器人框架為TI-6Al-4V鈦合金圓管焊接而成。

本文中僅研究碰撞對焊接框架和浮力材料的影響。在solidworks中對框架結構和浮力材料進行適當的簡化建模，并保存成stp格式導入Workbench中進行分析。

對模型進行材料參數設定。

對焊接框架及浮力材料施加1m/s的初速度，甲板施加固定約束。為減少計算時間，框架前沿與甲板相切。使整體與甲板呈30°傾斜相撞。設置計算時間為0.05s。

3 仿真結果分析

框架在發生碰撞后，在0.005s時承受的應力最大。

在仿真得到分析后，需要結合計算公式強度校核，對最大應力和該材料的許用應力值進行比較。鈦合金屬于塑性材料，塑性材料的許用應力計算公式為：

TI-6Al-4V鈦合金的屈服強度為650MPa，帶入后，求得。可以看出，焊接框架碰撞的最大應力接近TI-6Al-4V鈦合金的許用應力，所以應避免更強烈的碰撞。而浮力材料所受最大應力較小，基本不會產生損壞。

4 結論

通過對水下機器人結構碰撞動力學過程的數值模擬，得出碰撞對水下機器人的碰撞可能會產生影響。因此水下機器人的布防及回收工作應盡量在海況較好時進行，并提前對工作人員進行止蕩的操作培訓，避免與船體劇烈碰撞對設備的損壞。

參考文獻：

[1]俞宙.一種海纜巡檢ROV的機械結構設計與控制系統開發[D].杭州電子科技大學，2015.

[2]宋輝.ROV的結構設計及關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學，2008.

[3]周軍，梅志遠，王永歷，周曉松.低模高彈體泊松比試驗測試方法[J].中國艦船研究，2018，13（02）：91-96+122.