基于有限元分析下的水下機(jī)器人優(yōu)化

摘 要：本文主要對(duì)水下機(jī)器人采用有限元分析法，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS二次開發(fā)語言APDL實(shí)現(xiàn)語言參數(shù)建模。之后調(diào)整初始模型相關(guān)參數(shù)，達(dá)到了水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化這一目標(biāo)。確保水下機(jī)器人能夠在優(yōu)化后，增強(qiáng)有效負(fù)載并增大航程，減輕耐壓結(jié)構(gòu)重量。

關(guān)鍵詞：有限元分析;水下機(jī)器人;優(yōu)化

水下機(jī)器人作為為了滿足對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測需求，實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)、淺標(biāo)、水下機(jī)器人多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，研制形成的無外掛推進(jìn)系統(tǒng)，可以借助水下機(jī)器人的本身浮力，從而沿鋸齒形航跡運(yùn)行的系統(tǒng)[1]。從某種意義來講，通過加大水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸，即可滿足水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度需求，但為了縮減成本達(dá)到輕重量，本文將對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行有限元分析優(yōu)化研究。

1 水下機(jī)器人優(yōu)化對(duì)象

水下機(jī)器人的艙段結(jié)構(gòu)，由耐壓殼、肋骨兩大結(jié)構(gòu)組成，由于在2～6艙段有著基本等同的結(jié)構(gòu)，僅僅在結(jié)構(gòu)尺寸以及肋骨的根數(shù)方面存在差別，因此本文以5艙段為對(duì)象，薄殼耐壓殼結(jié)構(gòu)，矩形強(qiáng)肋骨和T型肋骨，于耐壓殼體內(nèi)部呈均勻分布。想要優(yōu)化水下機(jī)器人就要注意三大要素，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量、目標(biāo)及約束條件，保證對(duì)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度需求滿足基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的優(yōu)化調(diào)整，所獲差異化目標(biāo)函數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)函數(shù)值大小相較，進(jìn)而對(duì)比獲得最優(yōu)化方案[2]。

2 建立水下機(jī)器人艙段APDL參數(shù)模型

2.1 艙段模型處理

由于水下機(jī)器人的2～6艙段存在較多優(yōu)化變量，所以想要實(shí)施連續(xù)優(yōu)化難度較大，因此決定離散性優(yōu)化，通過建立APDL模型可以優(yōu)化重要幾何參數(shù)，達(dá)到結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化。通過建立殼模型并導(dǎo)入至有限元分析軟件中，創(chuàng)建ANSYS軸向垂直的工作平面，獲得艙段幾何模型示意圖。并運(yùn)用APDL參數(shù)優(yōu)化語言，完成艙段參數(shù)建模編寫程序。

2.2 耐壓殼體模型簡化

簡化耐壓殼提的關(guān)鍵前提在于能夠最大化簡化模型，并確保分析時(shí)可以盡可能接近原模型。因此僅僅將水下機(jī)器人耐壓殼體的部分圓角、復(fù)雜過渡曲面進(jìn)行簡化處理，并對(duì)原始模型特點(diǎn)有所保留，獲得簡化之后的耐壓殼體模型。長高分別為500mm、160mm，耐壓殼體設(shè)計(jì)作為典型多目標(biāo)優(yōu)化問題，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全有力保證前提下，力求能夠獲得最大化浮力且最輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案。

3 水下機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析

假定該水下機(jī)器人能夠達(dá)到50m的作業(yè)深度，100m的極限作業(yè)深度，為了確保耐壓殼體正常進(jìn)行有限元分析過程中，取極限作業(yè)靜水壓作為加載載荷。安全系數(shù)為1.5，1～3mm的耐壓殼體厚度。

3.1 有限元分析處理

進(jìn)行ADPL有限元分析前期，確定3mm的鋁合金材料，劃分網(wǎng)格施加靜水壓載荷，設(shè)定1005kg/m3的淺海海水密度，豎直向下100m水壓深度，計(jì)算所得施加載荷值為0.985MPa。并添加模型固定約束，均運(yùn)用法蘭盤連接艙段的前、后端面。

3.2 分析結(jié)果處理

通過分析可得艙段的應(yīng)力分布情況、位移情況（見下圖），可得處于上述極限作業(yè)深度下，耐壓殼體能夠達(dá)到42.194MPa的最大應(yīng)力，并滿足艙體的強(qiáng)度要求，可以確保水下機(jī)器人能夠正常作業(yè)于100m水深工況下。并且可得最大位移值為00065889mm，10%的材料延伸率，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.3 優(yōu)化前后對(duì)比

本次設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人艙段耐壓殼體優(yōu)化厚度3mm為1796mm，最終可得優(yōu)化前后的艙段參數(shù)（見下表）。不僅增加了水下機(jī)器人艙段的耐壓殼體最大等效應(yīng)力與最大線性位移量，并且保證能夠在安全范圍內(nèi)，滿足極限工況下的作業(yè)所需，達(dá)到40%的優(yōu)化殼體質(zhì)量，因此本次有限元分析優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)水下機(jī)器人艙段耐壓殼體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有限元分析優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1.795mm殼體厚度最優(yōu)，在實(shí)際應(yīng)用中也需要酌情考慮市場情況，最終選用2mm厚度。并進(jìn)行有限元優(yōu)化前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的水下機(jī)器人耐壓殼體質(zhì)量明顯減小，不僅縮減成本還達(dá)到了輕重量的優(yōu)化目標(biāo)，綜合提升了樹下機(jī)器人的作業(yè)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯寶科，許競克.Solidworks結(jié)構(gòu)分析在水下機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2018，22（10）：86-88.

[2]趙樹培.基于Solidworks的有限元技術(shù)在水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].公安海警學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（2）.

作者簡介：王丹（1988-），女，漢族，甘肅蘭州人，碩士，助教。