海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙力學特性分析*

楊 洋 ， 祁 敏 ， 董蘇德 ， 周陳炎

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226000）

0 引言

海洋牧場作為適合海洋生物生長和繁衍的人工“漁場”，需要隨時留意區域內生物的一舉一動[1]。在早期，對于海洋牧場的監控往往依靠潛水員，但潛水員長期在海底工作加上受到相應壓強的作用，安全系數并不高，且人力成本也較大[2]。目前，隨著科技的發展，海洋牧場水下巡檢機器人已經開始慢慢代替潛水員在深水中長時間作業，并廣泛應用于軍、民領域[3-4]。某海洋牧場水下巡檢機器人及水下監測情況，如圖1所示。

圖1 某海洋牧場巡檢機器人及監測畫面

耐壓艙作為海洋牧場水下巡檢機器人主要元件的安裝空間及水下壓強的承壓結構，在設計時就需要對其進行力學分析，以保證其在運作過程中不發生故障及損壞。課題組基于有限元法對已設計完畢的海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙進行強度計算，保證其強度滿足規范要求。同時，考慮到水下機器人在工作時，由于各元件的運行及外力作用而導致耐壓艙發生共振問題，對此巡檢機器人耐壓艙進行模態分析，以避免發生共振效應。

1 海洋牧場水下巡檢機器人結構

課題組設計的海洋牧場水下機器人結構采用飛魚型結構，相較于一般的流線型結構，具有能耗低、運動靈活、綜合效率高及阻力小等特點[5-6]。該水下機器人結構主要由航行體、飛翼、螺旋槳及固定裝置組成。內部舵機帶動機翼運動，耐壓艙內部放置攝像監控設備及傳輸數據設備等，以實現對海洋牧場生物及環境的監測。該機器人總長為756 mm，總寬為918 mm，具體結構模型如圖2所示。水下機器人耐壓艙材料采用2024鋁合金，厚度為12 mm，具體參數如表1所示。

表1 2024鋁合金參數

圖2 海洋牧場巡檢水下機器人整體結構示意圖

2 海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙強度計算

為確保水下機器人工作時的安全性，防止因外力過大而導致的耐壓艙強度不足問題，課題組基于有限元法，利用Ansys Workbench軟件對水下巡檢機器人耐壓艙進行強度直接計算，并將其結果與規范值進行比較，確保其滿足強度要求。

2.1 網格劃分及約束條件

將1∶1的耐壓艙三維模型導入到Ansys Workbench中，考慮到耐壓艙模型整體并不大，故采用節點更多、精度更高的Solid186單元進行網格劃分，示意圖如圖3所示。

圖3 耐壓艙網格劃分示意圖

水下機器人約束條件施加參考《潛水系統和潛水器入級規范》[7]，以耐壓艙中面為對稱面進行對稱面約束，側面施加位移約束（UX、UY、UZ）。外載荷僅考慮水壓力作用，根據該水下機器人的使用需求，最大深潛高度為100 m，其外載大小依據式（1）：

式中：ρ為耐壓艙密度；g為重量加速度；h為下潛深度；n為安全系數，根據規范n=1.5[7]。

約束條件及載荷施加示意圖如圖4所示。

圖4 約束條件施加示意圖

2.2 耐壓艙強度計算結果分析

基于Ansys Workbench對耐壓殼進行屈服強度及剛度計算，結果如圖5、圖6所示。

圖5 耐壓殼結構強度有限元計算結果

圖6 耐壓殼結構剛度有限元計算結果

根據圖5的有限元計算結果，耐壓艙最大應力值為96.01 MPa，根據《潛水系統和潛水器入級規范》[7]，其許用強度公式見式（2）：

依據式（2），許用強度[σ]=246.5 MPa，耐壓艙最大應力值（96.01 MPa）小于許用值，故該耐壓艙強度滿足要求。

根據圖6的計算結果，耐壓艙的最大變形量為0.028 5 mm，鋁合金材料延展率δ=11%，故該水下機器人耐壓艙的剛度也滿足規范使用要求。

3 海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙振動特性分析

由于各元件的運作、外載的作用及螺旋槳轉動等因素，可能會使機器人耐壓艙產生振動，從而影響工作性能[8]。故對耐壓艙進行設計及力學特性分析時，除了要考慮強度和剛度的要求外，還要考慮水下巡檢機器人的振動特性，避免在工作時產生共振現象[9-10]。故課題組基于Ansys Workbench對該機器人耐壓艙進行模態分析，得出固有頻率和振型來分析振動特性，以判別設計是否需要改進。

利用Ansys的modal進行模態分析，約束條件選擇底部固定約束，得出該耐壓艙的前6階固有頻率和相應振型。前6階固有頻率結果如表2所示，相應振型如圖7至圖10所示（因篇幅限制只給出第1階、第4～6階）。

圖7 耐壓艙第1階振型

圖10 耐壓艙第6階振型

表2 水下機器人耐壓艙模態分析結果

圖8 耐壓艙第4階振型

圖9 耐壓艙第5階振型

外部激勵頻率依據文獻[4]可得，計算見式（3）：

式中：k為剛度系數，m為質量。

剛度系數k的求解，通過在有限元軟件中施加1 N的進行剛度計算得到，變形量為0.13×10-9m，故最終的外部激勵頻率f=3 672.3 Hz。由表2模態分析計算結果可得，此耐壓艙固有頻率范圍為626.41 Hz～ 2 981.3 Hz，遠小于外部激勵頻率。故此耐壓艙并不會產生共振效應，設計較為合理。

4 結語

課題組通過對海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙進行力學特性分析，可以得到如下結論：

1）該海洋牧場水下巡檢機器人耐壓艙的強度及剛度滿足規范要求，可安全使用。同時，耐壓艙前6階固有頻率遠小于外部激勵頻率，不會產生共振，設計基本合理。

2）從結構強度計算可以看出，耐壓艙最大應力值遠小于許用應力值，留有較大的安全裕度，故此機器人耐壓艙可以進一步進行結構優化，以節省成本。