基于ANSYS的水下機器人框架結構設計分析*

王光越

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

隨著全球海洋產業的發展，憑借著資本和技術創新的優勢，越來越多優秀的海工裝備進入市場，提高海洋產業的技術含量。水下機器人作為海工裝備的一種，是一種工作于水下的極限作業機器人，在海底光纜鋪設、水下管道檢查及海底地質勘探等領域發揮著越來越重要的作用[1]。

水下機器人目前在我國處于快速發展階段，國內進行水下機器人的單位較多，如上海交通大學、中科院沈陽自動化所、哈爾濱工程大學等。框架型水下機器人也是研究方向之一，其中代表性的如上海交通大學等單位聯合研制的海龍號框架型ROV等[2]。框架是框架型ROV的重要組成部分，是ROV的總承力部件，同時也在ROV總體重量中占據很大比例，因此如何實現ROV主體框架的高強度和輕量化設計一直是框架型ROV研究的方向之一。

ANSYS是美國PTC公司開發的一款有限元分析軟件，并與其它軟件有著良好的兼容性，在機械行業中有著廣泛的應用[3]。筆者通過建立ROV框架的三維模型，利用ANSYS對ROV框架進行了受力分析，并根據仿真結果提出了設計建議，驗證了設計的可行性。

1 設計方案

水下機器人是進行水下作業設備的一種，水下機器人包括無纜機器人(AUV)和有纜機器人(ROV),無纜機器人具有移動靈活自由、航航速高的特點，缺點是作業時間短。有纜機器人通過臍帶纜連接船電系統，通過船電為水下機器人提供能源，具有可長時間作業、功率大的特點[4]。文中研究的該款ROV主要搭載水下機械手、能源艙、控制艙等，配備四個垂直推進器和兩個水平推進器，ROV的浮力主要由上部的浮力材料提供。根據ROV尺寸重量設計了該款ROV的框架結構部分，該款ROV的三維模型如圖1所示。

圖1 ROV三維模型 圖2 ROV框架模型

ROV框架的主體材料采用50×50×2的方形不銹鋼鋼管，整體結構在具有抗腐蝕的同時，也具有足夠的強度。各個設備的安裝板采用50×50×3的等邊角鋼焊接在框架的底部。ROV框架作為框架型ROV設備中主要的承力部件，其強度和剛度應能滿足使用要求。ROV框架的外形如圖2所示。

2 ROV框架有限元分析

ROV框架是整個機器人的承力結構，受力點較多，受力結構復雜。為了準確分析ROV框架受力分析情況，本文將ROV框架劃分為三個區域分別進行仿真。第一個區域是ROV主框架，ROV主框架整體拼焊成型，各個設備分布相對均勻。第二個區域時ROV橫梁，橫梁雖然與主框架焊接在一起，但屬于應力集中的部位。第三個區域是吊鉤，吊鉤通過螺母與橫梁連接，是最終的受力點，屬于應力集中部位。

ROV框架框架的主要材料均采用低磁不銹鋼，材料的主要性能指標如下：

① 彈性模量(E/MPa)2.05E5

② 抗拉強度(σb/MPa)520

③ 屈服強度(σs/MPa)205

2.1 ROV主框架有限元分析

分析時，框架中方鋼和角鋼采用梁單元模擬，四個水平推進器安裝板采用殼單元模擬。梁單元采用BEAM189；殼單元采用SHELL281。所有設備中，兩浮力塊的體積和質量最大，為準確模擬浮力塊對框架結構強度的影響，把兩浮力塊分別簡化到重心位置，通過桿單元把質量點和框架單元節點偶合。ROV主框架的網格模型如圖3所示。

圖3 ROV主框架網格模型 圖4 ROV主框架加載圖

利用ANSYS建立ROV框架的模型，根據個設備的位置和重量加載相應的載荷。框架底部平面上，以掛吊中心點為原點，沿ROV前向為X向，沿ROV豎直向上為Z向，根據右手法則，確定Y向建立坐標系，確定各個設備的位置坐標。各載荷質量和位置如表1所示。

表1 ROV載荷分配表

根據載荷分配表，將各設備以簡化質量點的形式加載在框架上。ROV主框架加載圖如圖4所示。

經靜力計算，并對計算結果后處理，得到ROV主框架等效應力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

圖5 ROV主框架等效應力云圖 圖6 ROV主框架變形移云圖

從圖5中可以看出，R位OV框架最大的等效應力為101 MPa。從圖6中可以看到，最大的變形量為3.7 mm。

2.2 橫梁強度分析

橫梁兩端通過焊接的方式與框架形成一體，是整個框架中受力最大的部位。橫梁方管采用截面為(50×50) mm，厚度為4 mm的型材。整體長度為500 mm，橫梁上加工有兩個距離為130 mm直徑為φ22 mm的孔，孔的下部焊有直徑為60 mm的墊片。橫梁強度計算通過有限元方法，利用WORKBENCH14.0平臺進行仿真計算。對頂部橫梁應力分析時，采用實體單元，劃分四面體網格，橫梁的網格模型如圖7所示，加載和約束如圖8所示。

圖7 頂部橫梁網格圖 圖8 頂部橫梁加載和約束

經靜力計算，并對計算結果后處理，得到頂部橫梁等效應力云圖如圖9所示，超出屈服極限點的位置如圖10所示。

圖9 頂部橫梁等效應力云圖 圖10 頂部橫梁等效應力超出材料屈服極限區域

從圖10中可以看出，頂部橫梁最大的等效應力為238 MPa，超出材料屈服極限區域呈現點狀，主要是應力集中區域，發生在墊片和橫梁的接觸位置。

2.3 吊鉤強度分析

吊鉤是ROV布放回收是直接的承力部位，屬于重要的結構件。吊鉤的主體直徑為φ22 mm，底部通過兩個M20的螺母與框架的橫梁固定在一起。吊鉤強度計算通過有限元方法，利用WORKBENCH14.0平臺進行仿真計算。考慮到吊鉤結構和載荷的對稱性，取吊鉤的1/4模型進行仿真計算。采用實體單元，劃分四面體網格。吊鉤加載和約束如圖11所示。

圖11 吊鉤加載和約束圖 圖12 吊鉤等效應力云圖

經靜力計算，并對計算結果后處理，得到吊鉤等效應力云圖如圖12所示，變形云圖如圖13所示。

圖13 吊鉤變形位移圖

從圖12、13中可以看出，吊鉤等效應力最大值為167 MPa，屬于接觸應力。吊鉤位移的最大變形值為0.13 mm，滿足使用要求。

3 結 論

根據總體結構要求，設計了ROV主體框架，建立了框架三維模型。利用有限元分析軟件ANSYS 對ROV框架強度進行了分析，結果表明：

(1) ROV主框架的整體最大等效應力值為101 MPa，強度滿足設計要求。根據位移的分析結果，ROV主框架變形位移較大，后期設計中，應適當調整重心位置，優化設備布局，確保起吊平衡。

(2) 橫梁最大等效應力達到238 MPa，超出材料屈服極限區域主要為應力集中區域。在設計后期，通過在橫梁下部加焊一塊6 mm厚的鋼板，改善橫梁的受力情況。

(3) 吊鉤最大等效應力為167 MPa，設計安全可靠。

根據以上建議優化了ROV設備布局，改進了橫梁部位的設計并進行了樣機加工及裝配調試。在后期的湖試試驗中，ROV布放回收時整體平衡性較好，ROV框架堅固牢靠，驗證了設計方法的可行性，并為后續水下機器人設備中框架結構部分的設計積累了設計經驗。