基于有限元法的輕型水下機器人耐壓殼體結構優(yōu)化與分析.pdf

1、輕型水下機器人能源供給主要由自身攜帶的充電電源提供，為了在一定能源供給條件下延長最大巡航時間和提高負載能力，要求水下機器人耐壓殼體在滿足強度和穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)輕量化，對水下機器人耐壓殼體進行結構優(yōu)化十分重要，尋求質量最小時耐壓殼體結構參數(shù)，并且要對優(yōu)化后耐壓殼體進行全面強度分析，包括艙段耐壓強度分析、艙段穩(wěn)定性分析、艙段模態(tài)分析、起吊組件強度分析。本文基于有限元法，利用有限元分析軟件ANSYS對輕型自主水下機器人耐壓殼體進行結構優(yōu)化與

2、分析，主要內容如下:
　　(1)輕型自主水下機器人耐壓殼體優(yōu)化
　　優(yōu)化過程分為初步優(yōu)化和最終優(yōu)化，初步優(yōu)化包括水下機器人耐壓殼體材料優(yōu)化和初步結構優(yōu)化，材料優(yōu)化是尋求滿足使用條件并綜合材料加工性能、成本等因素選用最合適的制造材料;初步結構優(yōu)化改變耐壓殼體原有筒體結構，改為有環(huán)肋加強的圓柱形耐壓殼體;最終優(yōu)化為了確定耐壓殼體質量最輕時壁厚與加強環(huán)肋尺寸。各艙段耐壓殼體分為筒體部分與楔環(huán)連接部分，由于二者設計與校核準則不同，故

3、對這兩個部分分別優(yōu)化:
　　a.楔環(huán)連接結構優(yōu)化
　　本文基于響應面法對潛水器楔環(huán)連接結構優(yōu)化，結合3種試驗方法對楔環(huán)連接結構4個參數(shù)組合進行試驗，利用有限元分析軟件ANSYS求解楔環(huán)連接結構應力與質量試驗響應數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)進行二次響應面擬合，優(yōu)化約束條件為結構滿足應力要求，優(yōu)化目標為結構質量最小。將利用不同優(yōu)化算法得到的優(yōu)化結果對比最終確定優(yōu)化結果。
　　b.艙段耐壓殼體結構優(yōu)化
　　本文基于響應面法對水下機

4、器人耐壓殼體結構優(yōu)化，以耐壓殼體結構5個尺寸為優(yōu)化變量，借助ANSYS求解結構應力響應數(shù)值，利用組合試驗縮小優(yōu)化變量范圍后進行響應面試驗設計，優(yōu)化約束條件為耐壓殼體強度和穩(wěn)定性滿足要求，目標函數(shù)為殼體質量最小，利用Design-Expert軟件進行響應面優(yōu)化求解，將其優(yōu)化數(shù)值與利用1stOpt數(shù)值計算軟件得到優(yōu)化數(shù)值對比最終確定優(yōu)化結果。
　　(2)輕型自主水下機器人耐壓殼體強度分析
　　對優(yōu)化后的耐壓殼體要進行全面的強度復

5、核，復核內容包括:
　　a.耐壓強度分析
　　利用有限元分析軟件ANSYS模擬真實工況（200m潛深），得到水下機器人分段耐壓殼體應力分布云圖，根據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》對殼體耐壓強度校核。
　　b.穩(wěn)定性分析
　　利用有限元分析軟件ANSYS對分段耐壓殼體進行線性屈曲分析，將模擬數(shù)值與理論計算數(shù)值比較，得到更加精確的屈曲分析結果并根據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》對殼體穩(wěn)定性校核。
　　c

6、.模態(tài)分析
　　模態(tài)分析主要為了得到殼體固有頻率，將固有頻率與工作海域海浪頻率值對比，避免殼體固有頻率與海浪頻率接近而發(fā)生共振，同時得到模態(tài)振型，起吊裝置安置部位應避開殼體變形過大的位置。
　　d.起吊組件強度分析
　　起吊工況下，起吊抱箍和起吊梁承受水下機器人全部重量，需要分析起吊工況下起吊組件強度，包括起吊抱箍、起吊梁和連接螺栓強度分析，其中螺栓強度分析主要通過理論分析，起吊抱箍和起吊梁強度分析利用有限元分析軟件得