水下机器人耐压舱的结构设计与分析

0引言

随着深海资源的广泛探索和开发,水下机器人在深水环境中的应用逐渐成为海洋工程领域的关键技术。其中,水下机器人的耐压舱作为确保其在深水操作中稳定运行的关键结构,对机器人性能和内部关键组件的安全性至关重要^[1]。水压随着机器人工作深度的增加会呈指数级增长,而超过一定深度后会对机器人系统产生巨大压力甚至造成破坏。因此,耐压舱的结构设计已经成为水下机器人工程中的关键一环。

水下机器人耐压舱的结构样式多种多样,常见的有球形结构、圆柱形结构及多层结构等^[2]。球形结构可以均匀分担水压力,相对于其他形式结构,其整体强度和稳定性较好。但球形结构会导致舱体内部空间利用率较低,能放置的仪器数量大大减少。圆柱形结构的强度和稳定性虽不及球形结构,但空间利用率较高,适合内部仪器较多的水下机器人^[3]。多层结构通过增加层数来增强舱体的强度,形状多种多样,虽然各方面都优于球形和圆柱形,但制造成本较高。耐压舱具体选用哪种结构形式,需要结合水下机器人的工作性质、工作环境及预算等多方面因素而定。

耐压舱的设计不仅关系到水下机器人的灵活性和经济性,更关系到机器人整体的安全性。目前,关于耐压舱的结构设计,国内外专家和机构已取得了一些成果。王鹏飞等人^[4]提出了一种基于有限元法的复合材料耐压舱的结构设计方法,并用外压试验证明了该方法的准确性,弥补了国内复合材料耐压舱设计的空白。praba等人^[5]设计出一种军用加筋复合材料潜水器耐压壳,利用LS—DYNA对耐压壳进行了非线性动力响应数值分析,发现该种耐压壳可以一定程度降低水下爆炸带来的影响。包海默等人^[6]以箱鈍为仿生对象,设计出一种水下捕捞机器人的仿生耐压舱。利用数值分析验证了该仿生耐压舱相对于常规样式耐压舱阻力更小,水下运动更加灵活。

本文以CCS的《潜水系统和潜水器入级规范》^[7]为基础,初步得出水下机器人耐压舱的形状和构件尺寸。基于有限元法,利用ANSYS软件对耐压舱的强度和刚度进行校核,确保耐压舱的结构强度满足要求。同时,考虑到水下机器人在工作时耐压舱主要负载为压应力,为了防止耐压舱出现失稳问题,影响水下机器人的整体安全,文章基于ANSYS的Buckling模块对耐压舱结构进行了屈曲分析,确保了耐压舱的稳定性。

1 耐压舱壳体结构设计

本文设计的水下机器人最大潜入水深为200 m,此时耐压舱承受的最大水压力p=ρgh=1.96Mpa。但为了保证耐压舱的安全性,耐压舱的极限承载压力需要在最大设计水压力基础上还留有一定的裕度。根据压力容器设计规范规定,耐压舱的极限承载压力p_m可以表示:

p_m=ŋgp (1)式中:ŋ为与机器人最大工作水深有关的安全系数,本文取1.5。

耐压舱形状的选择与工作水深和内部仪器数量有关, 目前市面上常见的形状有圆柱形、球形、圆锥形等。根据文献[8]的研究结论,在同一水深下,圆柱形和圆锥形耐压壳所受的应力会小于圆柱形,稳定性也高于圆柱形。但近些年人们对海洋的开发和探索已经从浅海走向深海,而随着水深的增加,耐压舱内部的仪器也需要调整为相应的合理配置,深海任务通常需要更多的传感器和设备来适应极端的水下环境。针对上述情况,内部空间利用率更高、能安置仪器数量更多的圆柱形耐压舱往往受到设计人员的青睐。本文也选用圆柱形作为设计耐压舱的形状,依据圆柱形壳体小挠度理论,圆柱耐压舱的壁厚t可以根据下式计算:

式中:D为耐压壳的外径;P_cr为临界失稳压力;L为耐压壳的长度;E为耐压舱周向的平均弹性模量。

为满足强度要求,耐压舱内部会设计加强筋,加强筋的设计形式有纵向式和周向式两种。纵向式加强筋虽然使耐压舱整体更加稳定,但会一定程度影响到内部放置仪器的空间。从空间利用率角度出发,本文在耐压舱内壳设计4根周向加强筋。图1为水下机器人耐压舱三维模型示意图。

2 耐压舱强度校核

耐压舱作为水下机器人的仪器放置舱,其结构安全对于整个水下机器人非常重要。文章首先对设计 的耐压舱强度进行校核,检验其强度是否满足安全要求。利用有限元通用软件ANSYS对耐压舱进行静强度和刚度的计算。耐压舱有限元网格采用Solid186单元,该网格单元精度较高^[9]。约束条件参考CCS的《潜水系统和潜水器入级规范》,对耐压舱纵中剖面施加对称面约束,侧面施加三个方向的位移约束。施加外载为耐压舱的极限承载压力(200m水下作业深度)。图2和图3分别为耐压舱的静强度和变形计算结果。

本文采用的材料为6061—T6铝合金,其屈服强度为275 MPa。依据CCS规范,结构安全系数取0.8,则该耐压舱的许用应力为[σ]=0.8σ_s=220 MPa。从仿真结果可以看出,本文设计的耐压舱最大应力为103 MPa,该值远远小于耐压舱的许用应力值,故设计的耐压舱强度满足安全要求。设计的耐压舱最大变形量为0.0367 mm,6061—T6铝合金材料的延伸率在10%~15%,故设计的耐压舱刚度也在许可范围之内。

3 耐压舱稳定性分析

水下机器人在水下工作时,耐压舱更多地受到压应力的作用,仅仅对耐压舱进行结构强度校核是远远不够的^[10]。当物体受力以压应力为主时,更应该考虑结构的屈曲失稳问题。本文首先以特征值屈曲分析方法为基础,利用Boles公式计算出该耐压舱的屈曲临界失稳压力P_cr:

式中:E为材料的杨氏模量,取71 GPa;v为泊松比,取0.3;δ为耐压舱壳体厚度,其值为5 mm;D为耐压舱壳 体外径,其值120 mm。

最终,计算得到耐压舱的屈曲临界失稳压力为11.29 Mpa。

估算耐压舱的等效受压面积S_e为1.26 m²,则根据下式计算出耐压舱的等效屈曲临界载荷F_cr:

F_cr=P_cr ×S_e=1.42×10⁷N(4)

本文利用ANSYS-Buckling模块对水下机器人耐压舱进行特征值屈曲分析。在耐压舱壳体的尾端施加固定约束,在首端施加大小为1 N的轴向压力,求解出耐压舱前六阶的屈曲临界载荷 ,计算结果见图4 (a)~(f)。

特征值屈曲分析通常取第一阶临界载荷作为耐 压舱的屈曲载荷 , 由计算结果图可以发现耐压舱第 一阶屈曲载荷为1 .73×10⁶ N ,远远小于等效屈曲临 界载荷 ,故该耐压舱设计满足稳定性的要求。

4   结论

文章建立了一种基于规范和有限元法相结合的 水下机器人耐压舱结构设计方法 ,得到如下结论:

1)本文设计的水下机器人耐压舱其强度 、刚度 及稳定性均满足安全使用要求 ,设计基本合理。

2)根据强度计算结果可以发现 , 该耐压舱计算 出的结构强度与许用应力相比 ,依然留有一定的安 全裕度 ,从经济性设计角度出发 ,后期可进一步进行 优化。

3)对于水下机器人耐压舱而言 , 结构失稳比结 构强度不足更容易发生 。在耐压舱结构设计时除了要考虑静强度问题 ,还必须考虑结构的稳定性。
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2024年第11期第11篇