俞偉豪 韓旭 唐縱 周陳炎

摘要：水下機(jī)器人耐壓艙是確保機(jī)構(gòu)整體在深水環(huán)境穩(wěn)定工作、保護(hù)內(nèi)部重要部件不受損壞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。鑒于此，以CCS潛水器入級(jí)規(guī)范為基礎(chǔ)，初步對(duì)耐壓艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出關(guān)鍵部位的尺寸?；谟邢拊▽?duì)設(shè)計(jì)出的耐壓艙進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)，考慮到耐壓艙在水中主要受到壓應(yīng)力作用，對(duì)耐壓艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，保證結(jié)構(gòu)在水下工作時(shí)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。結(jié)果表明，耐壓艙的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足安全要求，該水下機(jī)器人的耐壓艙設(shè)計(jì)相對(duì)合理。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;耐壓艙;有限元;強(qiáng)度;穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TP242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.011

0? ? 引言

隨著深海資源的廣泛探索和開發(fā)，水下機(jī)器人在深水環(huán)境中的應(yīng)用逐漸成為海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。其中，水下機(jī)器人的耐壓艙作為確保其在深水操作中穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人性能和內(nèi)部關(guān)鍵組件的安全性至關(guān)重要[1]。水壓隨著機(jī)器人工作深度的增加會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長，而超過一定深度后會(huì)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力甚至造成破壞。因此，耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為水下機(jī)器人工程中的關(guān)鍵一環(huán)。

水下機(jī)器人耐壓艙的結(jié)構(gòu)樣式多種多樣，常見的有球形結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)及多層結(jié)構(gòu)等[2]。球形結(jié)構(gòu)可以均勻分擔(dān)水壓力，相對(duì)于其他形式結(jié)構(gòu)，其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。但球形結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致艙體內(nèi)部空間利用率較低，能放置的儀器數(shù)量大大減少。圓柱形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性雖不及球形結(jié)構(gòu)，但空間利用率較高，適合內(nèi)部儀器較多的水下機(jī)器人[3]。多層結(jié)構(gòu)通過增加層數(shù)來增強(qiáng)艙體的強(qiáng)度，形狀多種多樣，雖然各方面都優(yōu)于球形和圓柱形，但制造成本較高。耐壓艙具體選用哪種結(jié)構(gòu)形式，需要結(jié)合水下機(jī)器人的工作性質(zhì)、工作環(huán)境及預(yù)算等多方面因素而定。

耐壓艙的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到水下機(jī)器人的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，更關(guān)系到機(jī)器人整體的安全性。目前，關(guān)于耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國內(nèi)外專家和機(jī)構(gòu)已取得了一些成果。王鵬飛等人[4]提出了一種基于有限元法的復(fù)合材料耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并用外壓試驗(yàn)證明了該方法的準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了國內(nèi)復(fù)合材料耐壓艙設(shè)計(jì)的空白。Praba等人[5]設(shè)計(jì)出一種軍用加筋復(fù)合材料潛水器耐壓殼，利用LS-DYNA對(duì)耐壓殼進(jìn)行了非線性動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)該種耐壓殼可以一定程度降低水下爆炸帶來的影響。包海默等人[6]以箱鲀?yōu)榉律鷮?duì)象，設(shè)計(jì)出一種水下捕撈機(jī)器人的仿生耐壓艙。利用數(shù)值分析驗(yàn)證了該仿生耐壓艙相對(duì)于常規(guī)樣式耐壓艙阻力更小，水下運(yùn)動(dòng)更加靈活。

本文以CCS的《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》[7]為基礎(chǔ)，初步得出水下機(jī)器人耐壓艙的形狀和構(gòu)件尺寸?；谟邢拊?，利用ANSYS軟件對(duì)耐壓艙的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，確保耐壓艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)，考慮到水下機(jī)器人在工作時(shí)耐壓艙主要負(fù)載為壓應(yīng)力，為了防止耐壓艙出現(xiàn)失穩(wěn)問題，影響水下機(jī)器人的整體安全，文章基于ANSYS的Buckling模塊對(duì)耐壓艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲分析，確保了耐壓艙的穩(wěn)定性。

1? ? 耐壓艙殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人最大潛入水深為200 m，此時(shí)耐壓艙承受的最大水壓力p=ρgh=1.96 MPa。但為了保證耐壓艙的安全性，耐壓艙的極限承載壓力需要在最大設(shè)計(jì)水壓力基礎(chǔ)上還留有一定的裕度。根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，耐壓艙的極限承載壓力pm可以表示：

pm=ηgp（1）

式中：η為與機(jī)器人最大工作水深有關(guān)的安全系數(shù)，本文取1.5。

耐壓艙形狀的選擇與工作水深和內(nèi)部儀器數(shù)量有關(guān)，目前市面上常見的形狀有圓柱形、球形、圓錐形等。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論，在同一水深下，圓柱形和圓錐形耐壓殼所受的應(yīng)力會(huì)小于圓柱形，穩(wěn)定性也高于圓柱形。但近些年人們對(duì)海洋的開發(fā)和探索已經(jīng)從淺海走向深海，而隨著水深的增加，耐壓艙內(nèi)部的儀器也需要調(diào)整為相應(yīng)的合理配置，深海任務(wù)通常需要更多的傳感器和設(shè)備來適應(yīng)極端的水下環(huán)境。針對(duì)上述情況，內(nèi)部空間利用率更高、能安置儀器數(shù)量更多的圓柱形耐壓艙往往受到設(shè)計(jì)人員的青睞。本文也選用圓柱形作為設(shè)計(jì)耐壓艙的形狀，依據(jù)圓柱形殼體小撓度理論，圓柱耐壓艙的壁厚t可以根據(jù)下式計(jì)算：

t=D0.6

（2）

式中：D為耐壓殼的外徑;Pcr為臨界失穩(wěn)壓力;L為耐壓殼的長度;E為耐壓艙周向的平均彈性模量。

為滿足強(qiáng)度要求，耐壓艙內(nèi)部會(huì)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)形式有縱向式和周向式兩種?？v向式加強(qiáng)筋雖然使耐壓艙整體更加穩(wěn)定，但會(huì)一定程度影響到內(nèi)部放置儀器的空間。從空間利用率角度出發(fā)，本文在耐壓艙內(nèi)殼設(shè)計(jì)4根周向加強(qiáng)筋。圖1為水下機(jī)器人耐壓艙三維模型示意圖。

2? ? 耐壓艙強(qiáng)度校核

耐壓艙作為水下機(jī)器人的儀器放置艙，其結(jié)構(gòu)安全對(duì)于整個(gè)水下機(jī)器人非常重要。文章首先對(duì)設(shè)計(jì)的耐壓艙強(qiáng)度進(jìn)行校核，檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否滿足安全要求。利用有限元通用軟件ANSYS對(duì)耐壓艙進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。耐壓艙有限元網(wǎng)格采用Solid186單元，該網(wǎng)格單元精度較高[9]。約束條件參考CCS的《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范》，對(duì)耐壓艙縱中剖面施加對(duì)稱面約束，側(cè)面施加三個(gè)方向的位移約束。施加外載為耐壓艙的極限承載壓力（200 m水下作業(yè)深度）。圖2和圖3分別為耐壓艙的靜強(qiáng)度和變形計(jì)算結(jié)果。

本文采用的材料為6061-T6鋁合金，其屈服強(qiáng)度為275 MPa。依據(jù)CCS規(guī)范，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取0.8，則該耐壓艙的許用應(yīng)力為[σ]=0.8σs=220 MPa。從仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的耐壓艙最大應(yīng)力為103 MPa，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耐壓艙的許用應(yīng)力值，故設(shè)計(jì)的耐壓艙強(qiáng)度滿足安全要求。設(shè)計(jì)的耐壓艙最大變形量為0.036 7 mm，6061-T6鋁合金材料的延伸率在10%～15%，故設(shè)計(jì)的耐壓艙剛度也在許可范圍之內(nèi)。

3? ? 耐壓艙穩(wěn)定性分析

水下機(jī)器人在水下工作時(shí)，耐壓艙更多地受到壓應(yīng)力的作用，僅僅對(duì)耐壓艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[10]。當(dāng)物體受力以壓應(yīng)力為主時(shí)，更應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)問題。本文首先以特征值屈曲分析方法為基礎(chǔ)，利用Boles公式計(jì)算出該耐壓艙的屈曲臨界失穩(wěn)壓力Pcr：

Pcr=

（3）

式中：E為材料的楊氏模量，取71 GPa;ν為泊松比，取0.3;δ為耐壓艙殼體厚度，其值為5 mm;D為耐壓艙殼體外徑，其值120 mm。

最終，計(jì)算得到耐壓艙的屈曲臨界失穩(wěn)壓力為11.29 MPa。

估算耐壓艙的等效受壓面積Se為1.26 m2，則根據(jù)下式計(jì)算出耐壓艙的等效屈曲臨界載荷Fcr：

Fcr=Pcr×Se=1.42×107 N （4）

本文利用ANSYS-Buckling模塊對(duì)水下機(jī)器人耐壓艙進(jìn)行特征值屈曲分析。在耐壓艙殼體的尾端施加固定約束，在首端施加大小為1 N的軸向壓力，求解出耐壓艙前六階的屈曲臨界載荷，計(jì)算結(jié)果見圖4（a）～（f）。

特征值屈曲分析通常取第一階臨界載荷作為耐壓艙的屈曲載荷，由計(jì)算結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)耐壓艙第一階屈曲載荷為1.73×106 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效屈曲臨界載荷，故該耐壓艙設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性的要求。

4? ? 結(jié)論

文章建立了一種基于規(guī)范和有限元法相結(jié)合的水下機(jī)器人耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，得到如下結(jié)論：

1）本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人耐壓艙其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足安全使用要求，設(shè)計(jì)基本合理。

2）根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該耐壓艙計(jì)算出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與許用應(yīng)力相比，依然留有一定的安全裕度，從經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)角度出發(fā)，后期可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

3）對(duì)于水下機(jī)器人耐壓艙而言，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)比結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足更容易發(fā)生。在耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮靜強(qiáng)度問題，還必須考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] LI B，WANG L，WANG X F，et al.Cross-coupling effect and motion control of an autonomous underwater vehicle with internal actuators[J].Journal of Marine Science and Technology，2019，24：98-110.

[2] 楊書麟.水下機(jī)器人耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D].贛州：江西理工大學(xué)，2020.

[3] 楊洋，祁敏，董蘇德，等.海洋牧場(chǎng)水下巡檢機(jī)器人耐壓艙力學(xué)特性分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2022，53（2）：54-56.

[4] 王鵬飛，江亞彬，宋江，等.深海用復(fù)合材料耐壓殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（11）：49-53.

[5] PRABA R P S，RAMAJEYATHILAGAM R.Microstructural damage and response of stiffened composite submersible pressure hull subjected to underwater explosion[J].Ships and Offshore Structures，2023，18（8）：1116-1131.

[6] 包海默，馬宏宇，喬松，等.水下捕撈機(jī)器人耐壓艙仿生造型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2022，39（5）：135-141.

[7] 中國船級(jí)社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范[R]，2021.

[8] 裴蕾.模塊化水下機(jī)器人設(shè)計(jì)及力學(xué)分析[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2018.

[9] 姜少杰，夏長春，孫鵬飛，等.某水下捕撈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水動(dòng)力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2020，42（5）：61-66.

[10] 張洪彬，徐會(huì)希，陳仲.水下機(jī)器人耐壓艙優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析[J].海洋學(xué)研究，2018，36（3）：84-88.

收稿日期：2024-03-07

作者簡介：俞偉豪（2001—），男，江蘇揚(yáng)州人，研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通信作者：周陳炎（1993—），男，江蘇南通人，碩士，講師，研究方向：強(qiáng)度可靠性分析。

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202312056043Y）;江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（23KJD580004）