觀察級ROV結構設計及研究

（西安工業大學，西安 710021）

0 引言

爭奪海洋資源成為了這幾年的焦點，由于人類無法親自對深海進行探測和開發，因此我們就需要借助各種高技術的工具、手段來認識海洋和探索海洋空間。探索海洋空間必不可少的重要工具之一就是水下機器人[1]，有纜遙控水下機器人（ROV）在水下探索、水產養殖、漁業打撈等領域具有非常廣闊的前景和重要的意義。本文目的在于設計并研制出具有自主知識產權的、應用于淺水水域的水產養殖及漁業打撈的小型模塊化ROV系統。在研究現有ROV的基礎上，根據設計指標和工作環境等因素，設計了一款淺水觀察級ROV。該ROV的結構選定為開架式結構，利用鋁合金材料構成的整體框架，使得框架有足夠的強度與剛度，同時，也有較大的內部空間。

1 ROV系統總體設計

ROV系統主要由機器人本體、地面操控箱和纜線組成，為了增強檢查效果，特配備視頻眼鏡。其中，機器人本體部分包括耐壓艙體、照明和觀測模塊、傳感器監測系統、推進系統、控制系統和通信等；地面操控系統包括顯示屏、操作手柄、狀態指示、導航定位系統、數據采集和處理軟硬件系統等；使用纜線將地面操控臺和水下機器人本體連接，地面操控臺通過臍帶纜將控制指令發送給機器人本體，并且收集機器人拍攝到的視頻信息和傳感器的信息[2]。ROV系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 ROV系統結構示意圖

2 ROV本體的組成

耐壓艙體、照明和觀測模塊、傳感器監測系統、推進系統、控制系統和通信系統共同構成了ROV的本體。本體機械結構圖如圖2所示。

圖2 本體機械結構圖

2.1 耐壓艙體

耐壓艙由半球罩、艙體和后蓋組成。它里面有攝像頭、檢測儀器、電子通訊設備和電路板等非承壓非耐水構件，必須密封防水。因此，耐壓艙的強度和水密性是ROV下水的關鍵。耐壓殼體有密閉的空間，能提供浮力，耐壓艙的質量與ROV本體的總質量的比值要盡量小，故耐壓艙的材料選用有機玻璃。

2.2 推進系統

動力推進系統是由ROV本身攜帶的電池倉部分和推進器部分組成的。電池倉位于耐壓艙下部，兩側對稱安裝與框架上，電池倉自帶電池為ROV水下提供電力。推進器部分由兩個水平推進器和兩個豎直推進器對稱安裝。

2.3 照明和觀測系統

在光線充足的陸地上攝像機拍攝視頻很容易，而在光線特別稀少的水里，不能拍攝到清晰的視頻，需要增加光線強度，因此，在機器人上安裝了LED燈和攝像頭。當光線不足時，打開LED燈，能夠為攝像機提供充足的光，采集到的圖像就能滿足要求，將攝像機收集到的圖像通過纜線傳送到地面控制臺顯示屏顯示，當對某些特別重要的圖像需要保存時，使用機器人自帶的錄像模塊進行記錄。

2.4 傳感器檢測系統

本文設計的水下機器人的傳感器監測系統由電子羅盤、深度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器組成。地面控制臺負責接收通過纜線傳遞的傳感器監測到的壓力、溫度、深度和航向等信息。

3 校核與仿真分析

3.1 框架的校核與分析

框架是各種零件和設備的載體，結構的可靠性是保證ROV正常工作的前提。對于框架沒有較好的經驗公式和理論規范來計算，只能依靠軟件進行分析。用三維建模軟件SolidWorks對本文的ROV進行整體建模，并將框架模型導入Ansys中，進網格劃分、施加載荷與約束和進行運算[3]。ROV的極限深度為50米，受到的壓力是0.5Mpa，仿真中壓力輸入值即0.5Mpa。將所產生的力簡化成集中力施加到相應的接觸面上，得到圖3所示的應力分析云圖和圖4所示的總變形分析云圖。仿真結果顯示，框架的最大應力為4.9182MPa，最大位移為0.01782mm，滿足強度和穩定性設計要求。

3.2 艙體的校核

3.2.1 艙體的壁厚校核

圖3 應力分析云圖

圖4 總變形分析云圖

有機玻璃的透光率比較高，機械強度也很高，可以塑性變形、低彈性模數，可重新分配應力以及允許局部屈服等都是有機玻璃的優點；而且有機玻璃在大量破壞前會變成半透明或出現很多裂紋，可以提供使用者即將壽命到期的線索信息。因此選用無色透明的亞克力作為耐壓艙體的材料。表1所示為亞克力材料的力學性能參數。

表1 亞克力的力學性能參數

考慮到真實的水下工作環境的影響，為了ROV的使用安全性，初步取密封艙殼體的厚度為4mm。ROV潛入水中的深度為50米時，依據勞氏規范安全系數至少2.5[4]。

令δ=4mm，計算臨界壓力及安全系數如式：

考慮上述計算結果，中間筒體設計為：外徑等于130mm，壁厚等于5mm，長度為230mm。內徑120mm。即5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m的環境下能保證艙體結構的安全。

3.2.2 艙體的強度校核

經過對艙壁的設計，使得達到指定的強度和剛度后，讓艙體的分量最小。由于δ=5mm，即外徑D=130mm，依據毀壞結果，將受外力的圓柱形殼體分為長圓筒、短圓筒，其判斷公式為(1)：

圓筒長度為L=230m，顯然：Lcr＞L，因而，能夠判斷該設計的殼體是短圓筒類型。

有許多解算公式能夠得出短圓筒的臨界壓力，但米塞斯（Mises）公式是應用最普遍的式[5]，式(2)：

式中：Pcr為壁厚為δ的耐壓艙筒體可以承受的臨界壓力；

E為PMMA的彈性模量；

R為密封艙筒體的半徑，R=D/2；

N為失穩波數；

L為耐壓艙筒體的長度；

μ為PMMA的泊松比。

簡化后，短圓筒的最小臨界壓應力公式：

將已知量代入式(4)，計算耐壓艙殼體的最小臨界壓應力如下：

由計算結果可知，耐壓艙殼體的應力值為8.32MPa，而亞克力的許用應力為22.5MPa，顯然，耐壓艙殼體的壓應力小于許用應力的值，即耐壓艙殼體的強度滿足要求。

3.2.3 艙體穩定性校核

校核ROV的結構的穩定性時，應該使計算所得的ROV殼體的應力小于材料所允許的許用應力，而且還要保證ROV殼體的穩定性滿足要求；否則殼體的失穩將會產生巨大的彎曲應力，而使密封電子艙受到破壞[6]。本文的穩定性理論研究是基于能量法之中的比較常見的一種方法—李茨法，推導圓柱形耐壓殼體的穩定性公式。

由于密封艙體為短圓筒。將尺寸參數代入式(3)，計算最小臨界壓力相應波數如下：

取整后N=3。

按照ROV的設計任務要求，最大潛水深度為50米時工作壓力為0.5MPa。類比工作深度與計算深度之間的關系，工作壓力與計算壓力的關系：

上面已經計算5mm的耐壓艙殼體的臨界壓力為Pcr=1.27MPa＞Pj=1MPa，即ROV密封電子艙體的穩定性符合要求，最小臨界壓力相應的失穩波數為3。

3.3 艙體仿真分析

ROV進行設計時，對工作深度和極限深度都有定義。在設計耐壓艙時，采用計算深度作為計算依據。計算深度一般取工作深度的1.25～1.5倍。為對耐壓艙強度和穩定性進行校核，使用Ansys對耐壓艙的結構進行仿真計算，50m水深下取最大值0.75MP，經過分析，耐壓艙的應力分析云圖和總變形分析云圖如圖5、圖6所示。

圖5 應力分析云圖

圖6 總變形分析云圖

從圖中可以看出，最大應力為9.7909MPa，位移最大變形量也不過0.094mm。

通過軟件分析，框架的最大變形量0.0182mm，可以忽略不計，不影響POV正常工作，最大應力4.9182MPa遠小于材料的許用應力69MPa，故框架的強度和剛度滿足要求。5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m艙體結構安全，理論計算耐壓艙體的應力值為8.32MPa，軟件仿真仿真耐壓艙的最大應力9.7909MPa，而亞克力的許用應力為22.5MPa，顯然，耐壓艙體的壓應力小于許用應力的值，即耐壓艙殼體的強度滿足要求。

4 結束語

本文主要設計了一種應用于淺水水域的水產養殖及漁業打撈的小型模塊ROV系統，解決了淺水養殖相關應用方面的難題。通過本體機械結構，介紹了ROV本體各部分組成，闡述了各部分的功能和作用。為了驗證設計的可靠性，從理論計算與有限元分析兩個方面入手，著重對框架結構和耐壓艙的耐壓強度及穩定性進行分析，得出以下結論：

1）通過仿真，框架在0.5MPa下，位移滿足安全性和穩定性要求。

2）5mm壁厚的亞克力耐壓艙在水下50m的環境下能保證耐壓艙體結構的安全。

設計的耐壓艙殼體的應力值為8.32MPa，而亞克力的許用應力為22.5MPa，顯然，耐壓艙殼體的壓應力小于許用應力的值，即耐壓艙殼體的強度滿足要求。

該研究為淺水觀察級ROV的實現鑒定了理論基礎，為框架式ROV的設計提供了有效的方法。