楊 沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

1 引言

隨著水下探測(cè)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人（Underwater Autonomous Vehicle，UAV）技術(shù)不斷成熟，人們采用水下機(jī)器人進(jìn)行水下目標(biāo)檢測(cè)、水下智能探測(cè)、水下開(kāi)采作業(yè)等，有效提高了水下作業(yè)的效率的同時(shí)，降低了水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。水下機(jī)器人作為一種人工智能體和主動(dòng)探測(cè)制導(dǎo)控制系統(tǒng)，集機(jī)械、控制、信息處理以及水下避障等學(xué)科為一體，在軍事領(lǐng)域中同樣表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用價(jià)值。水下機(jī)器人在軍事應(yīng)用中，主要表現(xiàn)為水下航行器跟蹤識(shí)別、聲吶信號(hào)探測(cè)、水下蛙人以及運(yùn)載等，通過(guò)自主航行、制導(dǎo)控制、信號(hào)處理以及計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的探測(cè)、跟蹤、識(shí)別和控制［1］。水下機(jī)器人由于長(zhǎng)期工作在大深度的海水中，海水的壓力較大，鹽度較高，腐蝕性較強(qiáng)，容易導(dǎo)致機(jī)器人斷裂，需要進(jìn)行水下機(jī)器人的抗壓疲勞損傷優(yōu)化測(cè)試，提高水下機(jī)器人的抗拉強(qiáng)度，避免機(jī)械斷裂，研究相關(guān)的水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試方法在提高機(jī)械人強(qiáng)度方面具有重要意義。

傳統(tǒng)方法中，對(duì)機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試及機(jī)械設(shè)計(jì)方法主要采用數(shù)值模擬分析方法和統(tǒng)計(jì)分析方法［2］，根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度的屈曲關(guān)系進(jìn)行水下機(jī)器人的抗拉強(qiáng)度數(shù)值分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人機(jī)械剩余承載力模擬，從而指導(dǎo)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造水平，具有一定的效果，但是隨著機(jī)器人作業(yè)海水深度的增大，不能有效模擬機(jī)器人的疲勞損傷的數(shù)值關(guān)系，在大深度的海水工作環(huán)境下機(jī)器人容易出現(xiàn)斷裂行為，且對(duì)水下機(jī)器人承載動(dòng)力學(xué)分析的準(zhǔn)確性不好［3］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于斷裂行為的水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試方法。首先進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)造水下機(jī)器人受力參量的估計(jì)模型，建立水下機(jī)器人機(jī)械荷載力學(xué)方程。然后采用斷裂行為評(píng)估模型進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞的力學(xué)估計(jì)和參量可靠性分析，建立水下機(jī)器人的機(jī)械流場(chǎng)應(yīng)力模型，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人抗壓優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試分析，展示了本文方法在提高水下機(jī)器人抗壓和抗斷裂行為方面的優(yōu)越性。

2 抗壓疲勞損傷的總體結(jié)構(gòu)及受力約束參量

2.1 水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)分析

本文研究水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，需要分析水下機(jī)器人在海水下的機(jī)械屈曲關(guān)系和剩余抗拉強(qiáng)度的數(shù)值分析模型，在CAD/CAM平臺(tái)上進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，機(jī)器人的抗壓疲勞測(cè)試的CAD/CAM主模塊包括了機(jī)器人的CAD造型設(shè)計(jì)、機(jī)械強(qiáng)度的應(yīng)力生成模擬、機(jī)器人機(jī)械加工的進(jìn)刀曲率控制以及后置處理等部分［4］。以機(jī)器人在海水下的屈服響應(yīng)、疲勞應(yīng)力、抗拉能力、剪力、抗壓力和受壓區(qū)應(yīng)變之間的關(guān)系為約束參量，建立機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和抗壓疲勞測(cè)試的機(jī)械動(dòng)態(tài)分析模型，在五軸坐標(biāo)系中進(jìn)行水下機(jī)器人的加工仿真和后置處理［5］，根據(jù)上述分析，得到水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1所示的水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試的數(shù)值分析和參數(shù)模型構(gòu)造，假設(shè)機(jī)器人的主材直徑為34mm，構(gòu)件的整體截面厚度11.23mm，轉(zhuǎn)矩為φ60.3×6.3，設(shè)計(jì)壓力 12MPa，工作環(huán)境溫度為-50℃～50℃，能夠經(jīng)受高溫高壓下的海水壓力沖擊。采用非約束剛度彈塑性模型構(gòu)造水下機(jī)器人的構(gòu)件有限元分布模型，得到水下機(jī)器人在海水高壓徐變和瞬態(tài)熱效應(yīng)作用下的疲勞測(cè)試應(yīng)力關(guān)系，分析機(jī)器人的抗壓力學(xué)性能與海水深度和荷載的作用關(guān)系。

2.2 水下機(jī)器人受力參量的估計(jì)模型

在上述進(jìn)行了水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試總體結(jié)構(gòu)分析和原理介紹的基礎(chǔ)上，構(gòu)造水下機(jī)器人受力參量的估計(jì)模型，建立水下機(jī)器人機(jī)械荷載力學(xué)方程，水下機(jī)器人在五軸坐標(biāo)系中表現(xiàn)為一個(gè)連桿結(jié)構(gòu)模型［6～8］，各支鏈末端構(gòu)件的彈性模量T和剩余承載力V分別為

在零勢(shì)能面計(jì)算水下機(jī)器人三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力擬合值：

預(yù)先設(shè)定水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，水下機(jī)器人抗水下壓強(qiáng)的強(qiáng)度等級(jí)為C60，由此得到水下機(jī)器人機(jī)械荷載力學(xué)方程：

其中，每條支鏈上水下機(jī)器人黏滯阻尼狀態(tài)參數(shù)為與狀態(tài)是互不相關(guān)的，由此得到水下機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械彈性荷載力學(xué)方程描述為

采用擬線性評(píng)估方法估計(jì)水下機(jī)器人在海水壓力作用下的機(jī)械剩余抗拉強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的斷裂行為評(píng)估和抗壓疲勞損傷測(cè)試。

3 機(jī)器人抗壓疲勞損傷評(píng)估模型優(yōu)化

3.1 抗壓疲勞的力學(xué)估計(jì)和參量可靠性分析

在CAD/CAM平臺(tái)上進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)造水下機(jī)器人受力參量的估計(jì)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水下機(jī)器人的抗壓疲勞的力學(xué)估計(jì)和參量可靠性分析［9］，本文提出一種基于斷裂行為的水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試方法。給定結(jié)構(gòu)降耦構(gòu)型的誤差參考量fx(X,t)，fθ(X,t)為不確定的有界函數(shù)，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，機(jī)器人抗疲勞斷裂的安全允量條件下，其解耦構(gòu)型的估計(jì)函數(shù)分別為有如下關(guān)系：

根據(jù)各支鏈在動(dòng)/靜平臺(tái)之間的載荷比值推薦值，引入兩個(gè)初始裂紋長(zhǎng)度，隨著試樣的變形，在海水中機(jī)器人抗壓疲勞損傷的演化規(guī)律分量分別描述為

取 sinθp=θp，cosθp=1，每次改變尺寸參數(shù)時(shí)，以載荷分離最大和斷裂可靠性評(píng)價(jià)最優(yōu)為目標(biāo)優(yōu)化參考模型，借助有限元模擬計(jì)算2D面-面接觸對(duì)的剛性強(qiáng)度，為

式 中 ，分別為抗壓疲勞的力學(xué)估計(jì)參量、加載線位移和接觸剛度，對(duì)上述多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行約束進(jìn)化求解。

3.2 機(jī)械流場(chǎng)應(yīng)力模型和抗壓疲勞損傷測(cè)試優(yōu)化

在機(jī)器人斷裂行為約束下，根據(jù)材料應(yīng)變硬化指數(shù)構(gòu)建機(jī)械流場(chǎng)應(yīng)力模型［10］，得到抗壓疲勞損傷的約束進(jìn)化方程描述為

式中，z1,z2是斷裂韌度約束參數(shù)，y為海水深度，z3是規(guī)則化載荷變量，β1,β2,β3,δ,b是可調(diào)參數(shù)。在給出了載荷分離參數(shù)的條件下［11］，得到裂紋終止點(diǎn)的誤差修正方程式表示為

式中，是規(guī)則化處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)；kp,kd是比例系數(shù)和微分系數(shù)。通過(guò)斷裂行為評(píng)估，得到水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試的動(dòng)態(tài)評(píng)估方程：

式中，yi是實(shí)時(shí)裂紋長(zhǎng)度是超越行程的“動(dòng)態(tài)耦合的參數(shù)”，bij是加載線位移，考慮斷裂韌度存在熱誤差影響［12］，通過(guò)曲率修正得到機(jī)器人抗壓疲勞評(píng)估的應(yīng)力擬合解析量算關(guān)系：

建立動(dòng)量守恒方程為

式中：

由于卸載柔度的變化與裂紋長(zhǎng)度具有定常性，故：

忽略卸載柔度的擾動(dòng)影響以及水下機(jī)器人自身的重力作用，有

由此得到水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試的彈性部分和塑性部分的湍流方程為k-ε方程，表示為

其中：

綜上分析，在大深度的液態(tài)介質(zhì)環(huán)境下建立水下機(jī)器人的機(jī)械流場(chǎng)應(yīng)力模型，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人抗壓優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試和機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)建立在CAD/CAM數(shù)控仿真軟件基礎(chǔ)上，采用Matlab R2010b仿真軟件進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析，機(jī)器人的主體加工材料為20CrMnTi，規(guī)格φ60.5×6.8，海水湍流參數(shù)取值分別為：C1ε=1.44 ，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。切齒深度φ取值1.0mm，結(jié)合塑性因子Ke=0.5732Vs/rad，卸載柔度Jp=0.804(1±0.5)kg·m2，材料應(yīng)變硬化指數(shù)為1.25，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定，進(jìn)行水下機(jī)器人的抗壓疲勞測(cè)試，得到水下機(jī)器人的抗壓疲勞測(cè)試的等高線圖如圖2所示，機(jī)器人斷裂行為的有限元分布云圖如圖3所示。

圖2 水下機(jī)器人的抗壓疲勞測(cè)試的等高線圖

圖3 水下機(jī)器人斷裂行為的有限元分布云圖

分析圖2和圖3結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行機(jī)器人抗壓疲勞測(cè)試和斷裂行為評(píng)估，水下機(jī)器人斷裂行為的有限元分布較為平滑，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法能有效提高水下機(jī)器人強(qiáng)度，克服疲勞損傷，為了對(duì)比不同方法的性能，采用本文方法和傳統(tǒng)的構(gòu)件耦合方法進(jìn)行水下機(jī)器人的抗壓設(shè)計(jì)，得到疲勞損傷測(cè)試誤差對(duì)比如圖4所示。

圖4 誤差性能測(cè)試

分析圖4結(jié)果得知，本文方法進(jìn)行水下機(jī)器人機(jī)械性能測(cè)試的誤差較小，采用本文設(shè)計(jì)方法能增大水下機(jī)器人工作海深，抗疲勞損傷性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行水下機(jī)器人的抗壓疲勞損傷優(yōu)化測(cè)試，提高水下機(jī)器人的抗拉強(qiáng)度，避免機(jī)械斷裂，本文提出一種基于斷裂行為的水下機(jī)器人抗壓疲勞損傷測(cè)試方法。構(gòu)造水下機(jī)器人受力參量的估計(jì)模型，建立水下機(jī)器人機(jī)械荷載力學(xué)方程，采用斷裂行為評(píng)估模型進(jìn)行水下機(jī)器人抗壓疲勞的力學(xué)估計(jì)和參量可靠性分析，在大深度的液態(tài)介質(zhì)環(huán)境下建立水下機(jī)器人的機(jī)械流場(chǎng)應(yīng)力模型，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人抗壓優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，采用本文模型進(jìn)行水下機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分析和抗壓疲勞損傷測(cè)試，能有效提高水下機(jī)器人強(qiáng)度，增大水下機(jī)器人工作海深，抗疲勞損傷性能較好，在水下機(jī)器人的機(jī)械性能改進(jìn)設(shè)計(jì)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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