基于有限元分析下的水下机器人优化

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　　摘 要：本文主要对水下机器人采用有限元分析法，运用有限元分析软件ANSYS二次开发语言APDL实现语言参数建模。之后调整初始模型相关参数，达到了水下机器人结构优化这一目标。确保水下机器人能够在优化后，增强有效负载并增大航程，减轻耐压结构重量。
　　关键词：有限元分析;水下机器人;优化
　　 水下机器人作为为了满足对海洋环境的监测需求，实现了浮标、浅标、水下机器人多项技术相结合，研制形成的无外挂推进系统，可以借助水下机器人的本身浮力，从而沿锯齿形航迹运行的系统[1]。从某种意义来讲，通过加大水下机器人的结构尺寸，即可满足水下机器人的结构钢强度需求，但为了缩减成本达到轻重量，本文将对水下机器人进行有限元分析优化研究。
　　1 水下机器人优化对象
　　水下机器人的舱段结构，由耐压壳、肋骨两大结构组成，由于在2～6舱段有着基本等同的结构，仅仅在结构尺寸以及肋骨的根数方面存在差别，因此本文以5舱段为对象，薄壳耐压壳结构，矩形强肋骨和T型肋骨，于耐压壳体内部呈均匀分布。想要优化水下机器人就要注意三大要素，包括结构优化变量、目标及约束条件，保证对水下机器人的结构钢强度需求满足基础之上，实现对变量的优化调整，所获差异化目标函数值，实现对目标函数值大小相较，进而对比获得最优化方案[2]。
　　2 建立水下机器人舱段APDL参数模型
　　2.1 舱段模型处理
　　由于水下机器人的2～6舱段存在较多优化变量，所以想要实施连续优化难度较大，因此决定离散性优化，通过建立APDL模型可以优化重要几何参数，达到结构模型优化。通过建立壳模型并导入至有限元分析软件中，创建ANSYS轴向垂直的工作平面，获得舱段几何模型示意图。并运用APDL参数优化语言，完成舱段参数建模编写程序。
　　2.2 耐压壳体模型简化
　　简化耐压壳提的关键前提在于能够最大化简化模型，并确保分析时可以尽可能接近原模型。因此仅仅将水下机器人耐压壳体的部分圆角、复杂过渡曲面进行简化处理，并对原始模型特点有所保留，获得简化之后的耐压壳体模型。长高分别为500mm、160mm，耐压壳体设计作为典型多目标优化问题，对于结构安全有力保证前提下，力求能够获得最大化浮力且最轻质量的设计方案。
　　3 水下机器人优化设计有限元分析
　　假定该水下机器人能够达到50m的作业深度，100m的极限作业深度，为了确保耐压壳体正常进行有限元分析过程中，取极限作业静水压作为加载载荷。安全系数为1.5，1～3mm的耐压壳体厚度。
　　3.1 有限元分析处理
　　进行ADPL有限元分析前期，确定3mm的铝合金材料，划分网格施加静水压载荷，设定1005kg/m3的浅海海水密度，竖直向下100m水压深度，计算所得施加载荷值为0.985MPa。并添加模型固定约束，均运用法兰盘连接舱段的前、后端面。
　　3.2 分析结果处理
　　通过分析可得舱段的应力分布情况、位移情况（见下图），可得处于上述极限作业深度下，耐压壳体能够达到42.194MPa的最大应力，并满足舱体的强度要求，可以确保水下机器人能够正常作业于100m水深工况下。并且可得最大位移值为00065889mm，10%的材料延伸率，能够满足设计需求。
　　3.3 优化前后对比
　　本次设计的水下机器人舱段耐压壳体优化厚度3mm为1796mm，最终可得优化前后的舱段参数（见下表）。不仅增加了水下机器人舱段的耐压壳体最大等效应力与最大线性位移量，并且保证能够在安全范围内，满足极限工况下的作业所需，达到40%的优化壳体质量，因此本次有限元分析优化效果显著。
　　4 结语
　　综上所述，本文通过对水下机器人舱段耐压壳体结构，进行有限元分析优化，结果发现1.795mm壳体厚度最优，在实际应用中也需要酌情考虑市场情况，最终选用2mm厚度。并进行有限元优化前后对比，发现优化之后的水下机器人耐压壳体质量明显减小，不仅缩减成本还达到了轻重量的優化目标，综合提升了树下机器人的作业性能。
　　参考文献：
　　[1]侯宝科，许竞克.Solidworks结构分析在水下机器人设计中的应用[J].装备制造技术，2018，22（10）：86-88.
　　[2]赵树培.基于Solidworks的有限元技术在水下机器人结构设计中的应用[J].公安海警学院学报，2014（2）.
　　作者简介：王丹（1988-），女，汉族，甘肃兰州人，硕士，助教。
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