水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分類號(hào)密級(jí)UDC本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師院、系、中心工程學(xué)院機(jī)電系專業(yè)年級(jí)論文答辯日期中國海洋大學(xué)水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成日期：指導(dǎo)教師簽字：答辯小組成員簽字：緒論1.1研究背景及意義從人類賴以生存的資源出發(fā)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加導(dǎo)致人類對(duì)于資源的需求與日俱增，而海洋覆蓋了地球約百分之71的面積。海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，是一片尚未完全開發(fā)的寶地，世界各國對(duì)于海洋資源的爭奪與開發(fā)已經(jīng)愈演愈烈，而開發(fā)海洋需要各種海洋設(shè)備的支撐。海洋具有豐富的資源，海洋生物可以食用、藥用、科研、娛樂觀賞與提取生物能等；海洋潮汐、溫差等物理資源可以用于發(fā)電；海洋中的化學(xué)資源，例如海水中的淡水、痕量元素（金、鈾、氘、溴、碘、鎂、鉀等）、化合物（食鹽、芒硝、石膏、重水、鹵水等）等；海洋中的礦物資源（錳核、石油、天然氣、礦砂、底砂等）；以及海洋的空間資源等[1]。海洋的競爭是新一輪的國際競爭，開發(fā)海洋需要高技術(shù)手段，對(duì)于海洋的開發(fā)與保護(hù)是維護(hù)可持續(xù)發(fā)展與國家安全的必然要求。由于人的潛水深度有限，水下機(jī)器人成為代替人類進(jìn)行水下的作業(yè)的重要工具，目前開發(fā)海洋的工作離不開水下機(jī)器人的發(fā)展。從民用方面出發(fā)，水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為安全搜救、管道檢查、科研教學(xué)、水下娛樂、能源產(chǎn)業(yè)、考古、漁業(yè)等方面提供了科技的支持，使得安全檢測工作、水下拆裝工作、走私物品檢測、水下目標(biāo)觀察、水下證據(jù)搜尋、海底打撈、海洋考察、水下考古、深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖等工作能夠順利展開。從軍事方面出發(fā)，21世紀(jì)的海上力量離不開水下機(jī)器人的發(fā)展，在9個(gè)重點(diǎn)的方面：情報(bào)/監(jiān)視/偵察（ISR）、水雷對(duì)抗（MCM）、反潛戰(zhàn)（ASW）、檢測/識(shí)別（ID）、海洋學(xué)、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（CN3）、有效載荷發(fā)送、信息戰(zhàn)（IO）、時(shí)敏打擊（TCS），我們都需要依賴水下機(jī)器人的高技術(shù)力量。目前水下機(jī)器人向著深海遠(yuǎn)程、導(dǎo)航通訊一體化、隱蔽性、小型化、智能化、靈活的機(jī)動(dòng)性和多使命的重構(gòu)性、多AUV協(xié)調(diào)工作等方面發(fā)展。1.2水下機(jī)器人概述1.2.1水下機(jī)器人分類及特征水下機(jī)器人可以粗略的分為兩類，一類為載人的有人潛器，例如我國的“蛟龍?zhí)枴保硪活悶闊o人潛器。無人潛器可以分為有纜潛器與無纜潛器，有纜潛器可由岸基或者母船供能運(yùn)行，但是無法離開岸基或者母船太遠(yuǎn)，同時(shí)，纜線也是制約有纜潛器的關(guān)鍵。有纜潛器可分為遙控型和拽航型，遙控型又可分為海中浮游型與海底行走型，拽航型也可分為海中拽航型與海底拽航型；無纜潛器可分為監(jiān)控型與完全自主型，完全自住型分為智能型與預(yù)編程型兩種。另外按照用途、運(yùn)動(dòng)方式、控制方式等也可將水下機(jī)器人劃分為不同種類，在此不一一敘述。1.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀水下機(jī)器人在軍事以及國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要的作用，國內(nèi)外對(duì)于水下自主航行器的研究與發(fā)展給予了高度的重視。水下自主航行器（AUV）自二十世紀(jì)開始發(fā)展于七十年代步入發(fā)展探索階段，并于八十年代進(jìn)入原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)階段，概念驗(yàn)證原型POC得到開發(fā)、檢測和應(yīng)用，這時(shí)候的AUV處于初時(shí)原始階段，體型臃腫、效率遲緩、造價(jià)昂貴。這種情況持續(xù)到九十年代，其發(fā)展由原型進(jìn)入樣機(jī)階段，AUV的發(fā)展與微電子科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自主智能科技、小型化航線控制設(shè)備、控制科技等息息相關(guān)，九十年代眾多技術(shù)為AUV的發(fā)展奠定了科技支持促進(jìn)其走向成熟。世界范圍的自主航行器在國家支持下持續(xù)進(jìn)步。美國的AUV技術(shù)發(fā)展起始于Rebikoff的SEASPOOK和美國華盛頓大學(xué)SPURV，同時(shí)這也是世界AUV的起始。美國存在年度的大學(xué)AUV競賽，也有年度海上“Demonstration”AUV盛會(huì)，全國十余所AUV研究前沿機(jī)構(gòu)參會(huì)。國內(nèi)擁有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品包括在伊拉克戰(zhàn)爭中大放異彩的REMUS（圖1-1）系列、科考用的ABE（圖1-2）型號(hào)、高性能小型AUV-BPAUV（圖1-3）等。并且在國家層面具有“海軍無人潛航器計(jì)劃”等戰(zhàn)略計(jì)劃，北約也有M02015無人水下航行器發(fā)展計(jì)劃。日本作為島國一直重視海洋的開發(fā)，是深海AUV開發(fā)的強(qiáng)國，1995年“海溝”作為當(dāng)年的世界紀(jì)錄保持者，下潛深度達(dá)到10911m，其他AUV擁有如在海洋調(diào)查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（圖1-4）等型號(hào)AUV，總體偏向民用深海開發(fā)，擁有三菱重工業(yè)公司等領(lǐng)軍公司機(jī)構(gòu)；UK較著名的有BAE系統(tǒng)公司的護(hù)身符（圖1-5）軍用多功能AUV；韓國擁有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄羅斯也自二十世紀(jì)60年代開始研發(fā)，擁有如軍用MT-88號(hào)、MIR1、MIR2（圖1-6）等多個(gè)型號(hào)的AUV；挪威擁有自身的軍用AUV發(fā)展計(jì)劃，并且擁有HUGIN（圖1-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在執(zhí)行北冰洋海底光纜鋪設(shè)時(shí)大放異彩，同時(shí)擁有RAY、Sunfish等AUV；AUS擁有“海龜”用以水下研究以及“Wayamba”等AUV[8]。中國AUV的發(fā)展圍繞兩核心，一是中科院沈陽自動(dòng)化研究所、中船重工702所、中科院聲學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)共同研發(fā)的探索者號(hào)，以及中國大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)研究協(xié)會(huì)支持的中科院沈陽自動(dòng)化研究所以及俄羅斯合作的“CR-01”（圖1-8）和“CR-02”AUV；二是以哈爾濱工程大學(xué)、702所、709所、HUST合作的“IntelligenceWaterclass(智水)”AUV。同時(shí)國家層面具有“863”計(jì)劃[9]。目前AUV的發(fā)展依然存在著通信問題、能源問題、控制問題以及經(jīng)濟(jì)性問題，由于水下機(jī)器人在海洋開發(fā)以及新時(shí)代軍事對(duì)抗的需求，21世紀(jì)海上力量的發(fā)展離不開AUV的發(fā)展，深海遠(yuǎn)程、智能化等7個(gè)方向，以及情報(bào)/監(jiān)視/偵察能力（ISR）、海洋學(xué)能力等9大重點(diǎn)能力是當(dāng)代AUV發(fā)展的趨勢，以及很多研究機(jī)構(gòu)的努力方向。圖1-1REMUS圖1-2ABE圖1-3BPAUV圖1-4PTEROA150圖1-5Talisman圖1-6MIR2圖1-7HUGIN圖1-8CR-011.3課題主要內(nèi)容1.3.1研究目的完成水下自主航行器的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建水下探測傳感器的運(yùn)行平臺(tái)，進(jìn)行淺水淡水域水下自主航行器本體結(jié)構(gòu)的通用化、模塊化的研究，確定在多種功能要求下的通用AUV總結(jié)構(gòu)框架的最優(yōu)設(shè)計(jì)。研究水下自主航行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用通用型的設(shè)計(jì)，方便控制、導(dǎo)航以及能源等模塊的加入以及拓展，為日后海洋大學(xué)的水下自主航行器的結(jié)構(gòu)研究提供參考樣本，及其他部分的研究提供搭載平臺(tái)。1.3.2研究內(nèi)容課題的主要研究內(nèi)容為：（1）AUV主體的具體幾何參數(shù)設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)、仿真分析。（2）AUV推進(jìn)方式設(shè)計(jì)，確定動(dòng)力源以及傳動(dòng)方式，選用相關(guān)零部件。（3）AUV舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式、連接方式以及AUV的運(yùn)動(dòng)控制方式。（4）AUV觀察窗設(shè)計(jì)，傳感器艙的設(shè)計(jì)。（5）AUV動(dòng)密封方式的研究與設(shè)計(jì)，應(yīng)用于AUV主殼體連接處，以及推進(jìn)系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)與觀察窗部位。（6）關(guān)鍵部位的強(qiáng)度校核以及AUV整體的流體分析。本文主要用到結(jié)構(gòu)分析、流體分析以及強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)等知識(shí)，因此采用理論分析與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合的方式研究。1.3.3擬解決的關(guān)鍵問題本課題研究水下自主航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用機(jī)械學(xué)的知識(shí)擬采取多種方案取優(yōu)，并通過ansys等相關(guān)軟件進(jìn)行AUV的流體分析。主要設(shè)計(jì)水下自主航行器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于水下自主航行器的結(jié)構(gòu)形體設(shè)計(jì)，研究外部形態(tài)設(shè)計(jì)，多重考慮水壓等因素；設(shè)計(jì)內(nèi)部空間劃分，為水下自主航行器搭載其他系統(tǒng)預(yù)留空間。擬解決的關(guān)鍵問題：（1）耐壓艙壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（2）關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核。（3）AUV結(jié)構(gòu)的通用化設(shè)計(jì)。1.3.4研究方法本課題研究AUV的結(jié)構(gòu)，該機(jī)器運(yùn)作時(shí)具有多個(gè)系統(tǒng)共同工作，包括推進(jìn)器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、螺旋槳推進(jìn)器，各個(gè)系統(tǒng)具有多種選擇方案，例如推進(jìn)器系統(tǒng)使用螺旋槳裝置、噴水裝置或者矢量裝置等。對(duì)于AUV以具體功能為單位進(jìn)行分析，合理安排設(shè)備內(nèi)外空間；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)不同方案組合選優(yōu)創(chuàng)建本體結(jié)構(gòu)模塊劃分與設(shè)計(jì)。利用相關(guān)軟件進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的校核。

2AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1AUV設(shè)計(jì)參數(shù)及分層設(shè)計(jì)2.1.1AUV設(shè)計(jì)參數(shù)本課題旨在依據(jù)項(xiàng)目說明書，設(shè)計(jì)研制一套AUV傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的搭載平臺(tái)，為日后研究AUV整體設(shè)計(jì)提供樣本以及為具有具體使命的AUV提供搭載平臺(tái)。水平航速選擇：一般淺水域AUV航速在1-5節(jié)，本文設(shè)計(jì)的AUV選用航速1.5-3.5節(jié)。運(yùn)動(dòng)自由度：設(shè)計(jì)AUV需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，在X軸上的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)；在Y軸上的升沉運(yùn)動(dòng)；繞X旋轉(zhuǎn)的橫搖運(yùn)動(dòng)；繞Y軸旋轉(zhuǎn)的縱搖運(yùn)動(dòng)；繞Z軸旋轉(zhuǎn)的擺艏運(yùn)動(dòng)。工作深度及最大下潛深度：工作水深為AUV正常作業(yè)的深度，最大下潛水深是AUV極限作業(yè)深度，可以做短時(shí)間的作業(yè)以及航行，極限水深不是破壞水深。本課題選擇作業(yè)水深20m，極限作業(yè)水深25m。航線控制方式：使用無線電波遙控以及預(yù)設(shè)程序相結(jié)合，靠近水面時(shí)使用無線電波控制，水下按照預(yù)設(shè)程序工作。整體尺寸：結(jié)合前人研究，AUV體長與橫徑比在5~7范圍的流線型AUV外形結(jié)構(gòu)能在很好的削弱阻力。出于穩(wěn)定性考慮，本課題設(shè)計(jì)采取1:6比例，1.5m*Φ25cm。最大續(xù)航能力：本文AUV預(yù)計(jì)最大續(xù)航能力2h。技術(shù)指標(biāo)表格如表2-1所示：表2-1AUV設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)水平航速（節(jié)）1.5-3.5運(yùn)動(dòng)自由度5工作深度及最大下潛深度（m）20/25航線控制方式預(yù)設(shè)程序/無線電波整體尺寸1.5m*Φ25cm最大續(xù)航時(shí)間（h）22.1.2AUV分層設(shè)計(jì)AUV整體可依據(jù)功能劃分為7個(gè)部分，分別為推進(jìn)器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。依據(jù)設(shè)計(jì)說明書的要求，將AUV整體結(jié)構(gòu)的7個(gè)部分劃分為4個(gè)層級(jí)，作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，優(yōu)先級(jí)依次遞減，如表2-2所示：表2-2AUV整體結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分第一層級(jí)耐壓殼的設(shè)計(jì)第二層級(jí)推進(jìn)器系統(tǒng)、舵的設(shè)計(jì)第三層級(jí)能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四層級(jí)控制、導(dǎo)航、傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一層級(jí)的耐壓殼設(shè)計(jì)與第二層級(jí)的推進(jìn)器系統(tǒng)和舵的設(shè)計(jì)為主體設(shè)計(jì)，優(yōu)先完成；第三層級(jí)的能源系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，設(shè)置大體的重量以及空間；第四層級(jí)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為預(yù)留空間，由需要使用此搭載平臺(tái)者自行完成。2.2AUV耐壓殼的設(shè)計(jì)2.2.1耐壓殼的整體形狀設(shè)計(jì)耐壓殼體的整體設(shè)計(jì)必須參照各方各面以達(dá)到任務(wù)的要求：阻力小，航行性能好；具有足夠的強(qiáng)度；便于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體布置；良好的工藝性，方便加工。無纜水下機(jī)器人由于其沒有電纜提供能源，出于減小行動(dòng)阻力，降低能能耗的考慮，AUV通常做成流線型形體，更多的使用球形或者魚雷型。球形耐壓殼體形體其重量-排水量比較小，受力方便計(jì)算校核，但不利于整體空間安排，水下行駛較為困難；魚雷型耐壓殼體易加工制造、內(nèi)部空間利用率最高、流體運(yùn)動(dòng)阻力小，但重量-排水量比較高、內(nèi)部需要肋骨加強(qiáng)。根據(jù)任務(wù)說明書，該AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于提供平臺(tái)，出于加工以及內(nèi)部空間、行程阻力考慮，采用魚雷型設(shè)計(jì)。下面對(duì)比不同魚雷外型對(duì)于AUV整體水下性能的影響，根據(jù)魚雷型的特點(diǎn)，頭尾分別選用不同的過渡形式，半圓形與流線型過渡，可將其分為四類，具體為2-1至2-4四模型形式展現(xiàn)：圖圖2-1模型一圖2-2模型二圖2-3模型三圖2-4模型四據(jù)研究，模型三所示頭尾皆采用流線型的耐壓殼形體阻力最小，但需要最大的特征長度，致使AUV尺寸過大；模型二所示頭尾均采用半圓形過渡雖然特征長度最小，但會(huì)導(dǎo)致阻力過大；模型四的AUV形體，在特征長度較大的情況下還會(huì)導(dǎo)致AUV行駛阻力較大；模型一所示的耐壓殼形體行駛阻力較小并且具有適中的特征長度，選擇其作為最優(yōu)耐壓殼形體[2]。2.2.2耐壓殼體內(nèi)部空間劃分設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用魚雷型設(shè)計(jì)，頭部采用半圓形設(shè)計(jì)，尾部采用流線型過渡設(shè)計(jì)。AUV整體可以劃分為7個(gè)部分，考慮需要保證AUV的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保持一定的穩(wěn)心高度，重心以及浮心需在同一垂直位置且浮心高于重心7cm以上?？紤]AUV各部分的具體功能以及運(yùn)作方式，初步設(shè)計(jì)AUV的耐壓殼體內(nèi)部劃分如下圖2-5所示：傳感器艙傳感器艙艙體1艙體2艙體3舵機(jī)艙圖圖2-5耐壓殼體內(nèi)部區(qū)域劃分初步設(shè)計(jì)為傳感器以及觀察窗安裝于傳感器艙與艙體1前段，艙體1與艙體2部分位置安裝控制系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)以及前舵機(jī)，艙體3用于安裝能源系統(tǒng)與部分推進(jìn)器系統(tǒng)，舵機(jī)艙用于安裝后舵機(jī)與部分推進(jìn)器系統(tǒng)。2.2.3耐壓殼體的材料目前高強(qiáng)度的鋁合金已經(jīng)廣泛用于制作中小型水下機(jī)器人的耐壓殼體和框架，鋁合金的比重較小，與其他的金屬材料相比，可以在相等W/V值的情況下獲得更深的工作深度，以及在更小的W/V值的情況下獲得更大的負(fù)載能力。本次設(shè)計(jì)采用Al-Mg-Si系熱處理強(qiáng)化合金6061鋁合金，國內(nèi)牌號(hào)LD30，機(jī)械性能如下表2-3所示：表2-3機(jī)械性能6061鋁合金狀態(tài)σb兆帕σ0.2兆帕σ％HBTb31027517952.2.4耐壓殼體的計(jì)算耐壓殼體需要確保殼體的強(qiáng)度及形狀的穩(wěn)定性，水下的耐壓殼體厚度與曲率半徑之比很小，可以視作薄殼結(jié)構(gòu)計(jì)算，以保證殼體的應(yīng)力小于許用應(yīng)力。本次設(shè)計(jì)采用有限元分析的方法對(duì)于耐壓殼體進(jìn)行靜態(tài)分析，同時(shí)分析其表面強(qiáng)度，分析過程及結(jié)果將在后文中提及。本節(jié)主要進(jìn)行耐壓殼體的穩(wěn)定性校核，按照破壞的情況劃分，可將受外壓的圓柱形殼體分為長圓筒和短圓筒，劃分按照下述公式（2-1）確定：（2-1）公式成立，圓柱型殼體為長圓筒，可以忽略邊界對(duì)于穩(wěn)定性的影響，其壓扁時(shí)波數(shù)為2，臨界壓力僅與圓柱壁厚與圓柱的外徑之比有關(guān)，與其長度無關(guān)。反之，圓柱型殼體為短圓筒，必須考慮邊界對(duì)于殼體穩(wěn)定性的影響，臨界壓力與圓柱壁厚、圓柱長度、圓柱外徑皆有關(guān)。本次設(shè)計(jì)AUV取壁厚5mm，截面直徑250mm，整體AUV艙體長取1.5m，代入上述公式得：L=1500mm＜4.0D（D/2圓柱型殼體為短圓筒，使用米塞斯（mises）公式計(jì)算臨界壓力，實(shí)際工程上常用由米塞斯公式推導(dǎo)出的簡化公式拉姆公式（2-2）代替米塞斯公式計(jì)算短圓筒的臨界壓力值：（2-2）根據(jù)材料性質(zhì)，6061合金的彈性模量為68.9GPa，代入（2-2）式計(jì)算得：Pcr=2.5968.9109×5/（1500250×（250/5））Pa=020m水深處壓力約為0.296MPa，25m處約為0.34MPa，滿足穩(wěn)定性條件，耐壓殼體尺寸選用合理。2.2.5耐壓殼體的密封耐壓殼體內(nèi)裝有控制、導(dǎo)航以及探測裝置，于水下進(jìn)行作業(yè)時(shí)需要較高的封閉能力，保證沒有絲毫的泄露，確保機(jī)器里裝有的零件隔離水的侵蝕。同時(shí)耐壓殼體必須有可拆卸的封頭，自主航行器在結(jié)束指定任務(wù)之后，必須時(shí)常維護(hù)檢測。綜上，要求AUV封頭兩個(gè)表面進(jìn)行安全可靠封閉。本設(shè)計(jì)采用“接觸密封法”使用密封元件O型圈進(jìn)行密封，O型圈在喪失變形復(fù)原性或初始的壓縮之前可進(jìn)行更換，而且成本較低、耐腐蝕性好、壽命長、彈性好，具體設(shè)計(jì)如圖2-6至2-9所示：圖2-8三維密封示意1圖2-9三維密封示意2圖2-6二維密封示意1圖2-7二維密封示意圖2-8三維密封示意1圖2-9三維密封示意2圖2-6二維密封示意1圖2-7二維密封示意2如圖2-5所示，耐壓殼具有多個(gè)艙體，傳感器艙與艙體一、艙體3與舵機(jī)艙采用圖2-7與圖2-9所示的密封方式，舵機(jī)艙螺紋孔開在坡面；艙體1與艙體2、艙體2與艙體3采用圖2-6與圖2-8所示的密封方式。2.3觀察窗的設(shè)計(jì)水下自主航行器需要通過耐壓殼上的觀察窗把水下觀察對(duì)象的對(duì)應(yīng)影像傳輸給攝像機(jī)鏡頭，同時(shí)觀察窗需要保持連接部位的密封性能。觀察窗玻璃其光學(xué)性能應(yīng)當(dāng)較好，不含條紋、內(nèi)應(yīng)力等，能抵抗外部水壓并且外部不產(chǎn)生形變。觀察窗具有三種結(jié)構(gòu)形式，平圓盤形、截錐形與球扇形。平圓盤形（圖2-10）易加工安裝，并且成本低，但其視界小、承受能力低，邊緣易出現(xiàn)高彎曲應(yīng)力，低壓面中心易產(chǎn)生裂紋；截錐形（圖2-11）是水下機(jī)器人普遍采用的觀察窗，承載能力與視界范圍優(yōu)于平圓盤形，密封由接觸面通過O型圈高壓密封實(shí)現(xiàn)；球扇形（圖2-12）不改變視場角，沒有畸變和色散，即折射引起的光學(xué)失真，應(yīng)力為均壓應(yīng)力，且數(shù)值較小，球扇形承載能力較高，但是要求加工精度較高，安裝的位置精度要求也較高[16]。圖2-10平圓盤形圖2-11截錐形圖圖2-10平圓盤形圖2-11截錐形圖2-12球扇形圖2-13觀察窗設(shè)計(jì)圖2.4本章小結(jié)本章就AUV的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究AUV內(nèi)部系統(tǒng)，將其劃分為7個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)任務(wù)說明書，將AUV的7個(gè)系統(tǒng)按在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要程度劃分為四個(gè)層級(jí)。完成了第一層級(jí)耐壓殼體的設(shè)計(jì)，其中包括耐壓殼體的形體設(shè)計(jì)、材料選用、分析計(jì)算以及密封設(shè)計(jì)，劃分內(nèi)部空間，為具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供平臺(tái)。

3AUV分層系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1AUV推進(jìn)裝置與舵推進(jìn)器系統(tǒng)與舵為第二層級(jí)的設(shè)計(jì)，AUV整體的運(yùn)動(dòng)通過推進(jìn)裝置與舵實(shí)現(xiàn)，并且含有很多的機(jī)械設(shè)計(jì)部分，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。3.1.1推進(jìn)器的排列設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，水下自主航行器需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，考慮多種設(shè)計(jì)方案，可以采用多推進(jìn)器的方式實(shí)現(xiàn)AUV的水下自由運(yùn)動(dòng)；可采用單推進(jìn)裝置結(jié)合舵的形式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的水下自由運(yùn)動(dòng)。多推動(dòng)裝置方式實(shí)現(xiàn)AUV的運(yùn)動(dòng)，可采用5個(gè)推動(dòng)裝置，具體排列是為下圖3-1展現(xiàn)，通過操縱五個(gè)推動(dòng)裝置工作狀態(tài)，停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)AUV五個(gè)自由度方向的運(yùn)作。推進(jìn)器3、5控制進(jìn)退；推進(jìn)器1、2、4控制升沉；推進(jìn)器1、2控制橫搖；推進(jìn)器1、2、4控制縱搖；推進(jìn)器3、4控制擺艏。11-推進(jìn)器2-推進(jìn)器3-推進(jìn)器4-推進(jìn)器5-推進(jìn)器圖3-1推進(jìn)方式112534單推進(jìn)器配合舵機(jī)控制也可實(shí)現(xiàn)AUV的自由運(yùn)動(dòng)，采用四個(gè)舵配合推進(jìn)器使用，如圖3-2所示，通過推進(jìn)器5控制AUV的進(jìn)退，通過舵機(jī)控制控制舵1、2與推進(jìn)器5配合完成升沉與縱搖運(yùn)動(dòng)，通過舵機(jī)控制舵3、4與推進(jìn)器5配合完成橫搖與擺艏運(yùn)動(dòng)。11-前置舵2-前置舵3-后置舵4-后置舵5-推進(jìn)器圖3-2推進(jìn)方式212543綜合考慮，選用第二種方案，該方案減小了運(yùn)動(dòng)的阻力，減少了AUV的成本，并且舵的使用提供了類漂浮器的效果，該點(diǎn)下文詳述。整體外形方案三維圖是為下圖3-3展現(xiàn)：圖3-3推進(jìn)方式三維示意圖3.1.2圖3-3推進(jìn)方式三維示意圖推進(jìn)器系統(tǒng)可以選用多類推進(jìn)器作為水下自主航行器的動(dòng)力源提供航行所需的動(dòng)能，初步考慮推進(jìn)器種類有電機(jī)推進(jìn)器，液壓推進(jìn)器，噴水推進(jìn)器與矢量推進(jìn)器。中小型的水下自主航行器廣泛采用電機(jī)推進(jìn)器，直流電機(jī)成本較低，無刷直流電機(jī)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年的使用日漸興起，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單；液壓推進(jìn)器具有良好的無極調(diào)速，并且易實(shí)現(xiàn)密封，成本低，安全性能好，多在大中型水下機(jī)器人中使用；噴水推進(jìn)器利用高速水流反作用提供動(dòng)力，水下機(jī)器人的操控較為簡單，但在水中雜物或者水草較多區(qū)域，易被賭賽影響航速；矢量推動(dòng)裝置可以改變推進(jìn)方向以及推進(jìn)量，但要求較高。綜合考慮，本文選擇電機(jī)推動(dòng)裝置作為AUV的動(dòng)力推進(jìn)裝置，結(jié)合螺旋槳于尾部推動(dòng)完成航行。當(dāng)水下自主航行器按照預(yù)設(shè)航速前進(jìn)時(shí)，推力可根據(jù)下式（3-1）計(jì)算：（3-1）其中：ρ——水的密度，A——潛器橫截面積，CD——拉力系數(shù)，取0.8。此AUV橫截面積：A=pi*R2半徑R=0.125m代入得此推動(dòng)需要的推動(dòng)裝置功率是為：取速度為4節(jié)，約合v=2m/s，代入計(jì)算得：

P=1/2*1000kg/m3*v3*A*0.8=114.51w考慮電機(jī)帶動(dòng)過程中的損耗，選用maxon的EC45，150w，24v，編號(hào)136198電機(jī)，配套使用GP42，Φ42，3~15nm行星齒輪箱，HEDL9140光電編碼器。螺旋槳選用健正模型P15008-4-L-MF螺旋槳。3.1.3推進(jìn)系統(tǒng)與舵的設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)使用電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)，速度由控制模塊中預(yù)編程序或無線電波控制，如圖3-4所示。圖圖3-4推進(jìn)器系統(tǒng)二維圖電機(jī)連接軸為階梯軸，使用兩個(gè)角接觸滾動(dòng)軸承進(jìn)行限位，三維圖如圖3-5所示。本文水下自主航行器通過推進(jìn)器系統(tǒng)提供動(dòng)力，由舵完成整體方向的控制，完成直行、變向等動(dòng)作。圖圖3-5推進(jìn)器系統(tǒng)三維圖本次設(shè)計(jì)采用如圖3-2所示舵的布置，將調(diào)整AUV升沉的兩側(cè)舵置于中部近前端，起類似水下滑翔翼的效果。傳統(tǒng)的水下滑翔器在水中只能遵循鋸齒形軌跡航行，航線控制和定位精度低，更甚者會(huì)出現(xiàn)隨波逐流的現(xiàn)象，但滑翔器的設(shè)計(jì)巧妙的利用了物體的重力與浮力，使其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力，顯著減少了水下航行器航行所需的能量，航行時(shí)間能達(dá)到一年[11]。圖3-6舵機(jī)系統(tǒng)二維圖圖3-7舵機(jī)系統(tǒng)三維圖本次設(shè)計(jì)將部分滑翔器的優(yōu)點(diǎn)與水下自主航行器相結(jié)合，可以在一定程度上減少水下自主航行器的能耗，增大續(xù)航時(shí)間。使用舵機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)舵的運(yùn)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)完成精確導(dǎo)控，圖3-6舵機(jī)系統(tǒng)二維圖圖3-7舵機(jī)系統(tǒng)三維圖舵機(jī)系統(tǒng)分為前后兩系統(tǒng)，傳動(dòng)原理一致，前置舵機(jī)系統(tǒng)采用斜齒輪帶動(dòng)，后置電機(jī)采用直齒輪帶動(dòng)，三維圖如圖3-7所示。舵機(jī)系統(tǒng)與螺旋槳系統(tǒng)是水下自主航行器的重要部分，為達(dá)到航行阻礙較小，本文將舵葉片設(shè)置為流線型，圖3-8為示意圖，前置舵，后置舵葉片分別同步，兩水平舵片、兩垂直舵片之間無差動(dòng)舵角。圖3-8舵系統(tǒng)葉片示意圖3.1.4AUV推進(jìn)系統(tǒng)與舵的密封設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)采用密封圈加旋轉(zhuǎn)壓力密封的方式，殼體使用O型圈保證靜密封，軸部采用旋轉(zhuǎn)壓力密封加青銅進(jìn)行動(dòng)密封。如圖3-9，3-10。舵系統(tǒng)密封與推進(jìn)系統(tǒng)類似，采用O型圈以及旋轉(zhuǎn)壓力密封加青銅的密封方式，如圖3-11,3-12所示。圖圖3-9推進(jìn)系統(tǒng)密封示意二維圖圖3-10推進(jìn)系統(tǒng)密封示意三維圖O型圈旋轉(zhuǎn)壓力密封O型圈旋轉(zhuǎn)壓力密封圖3-11舵密封示意二維圖圖3-12舵密封示意三維圖除了加工的因素外，機(jī)械力、速度、溫度與安裝方式等都會(huì)影響到密封的效果，所以對(duì)于密封件的密封槽加工精度要求較高，要求表面粗糙度達(dá)到1.6，以及同心度等。3.2能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)水下自主航行器與有纜水下機(jī)器人在能源補(bǔ)給方面截然不同，有纜水下機(jī)器人具有母船或者岸基通過纜線供能；通常情況下水下自主航行器離開母船獨(dú)自作業(yè)，需要自行攜帶能源系統(tǒng)，對(duì)于能源系統(tǒng)要求較高。水下自主航行器能源系統(tǒng)需要電池組供能。電池組可分為多個(gè)類型，包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎘電池、鋰電池以及燃料電池等。鉛酸電池工藝成熟，成本低，但其循環(huán)壽命短、比能低，目前在正式使用的水下自主航行器中已淘汰；銀鋅電池壽命短、維護(hù)費(fèi)用高、低溫性能較差，比能優(yōu)于鉛酸電池，曾使用在水下自主航行器中，目前使用較少；鎳鎘電池比能與鉛酸電池差別較小，性能與成本相較太?。蝗剂想姵厥亲钚碌乃伦灾骱叫衅麟姵匕l(fā)展趨勢；鋰電池在國內(nèi)技術(shù)較其他電池成熟，且鋰電池比能高、循壞壽命長、自放電率低，本次設(shè)計(jì)采用鋰電池組為能源系統(tǒng)電磁組[19]。圖圖3-13電池組排布示意圖參照前人研究成果，整體設(shè)計(jì)考慮將能源系統(tǒng)劃分為7個(gè)模塊，電池組模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、均衡控制模塊、SOC估算模塊、控制器模塊、通信模塊以及顯示存儲(chǔ)模塊，電池組擬采用圓形陣列排布（圖3-13），節(jié)省空間，其他模塊與其按照相對(duì)關(guān)系安裝[3]。因設(shè)計(jì)人員水平有限以及時(shí)間原因，能源系統(tǒng)剩余設(shè)計(jì)其余系統(tǒng)本文不做過多設(shè)計(jì)，待以后研究完善。3.3AUV防腐蝕水下環(huán)境較為惡劣，尤其是海洋環(huán)境，一般水下航行器在設(shè)計(jì)和制作時(shí)必須考慮防腐蝕措施，一般可采取下述方法：采用耐腐蝕的金屬、合金、非金屬材料；在需保護(hù)的AUV表面，進(jìn)行涂漆等操作隔絕腐蝕介質(zhì)；電化學(xué)保護(hù)；采用減輕腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)采用的是6061合金，是一種具有較高耐腐蝕性的鋁合金，該材料會(huì)在表面生成一層氧化鋁薄膜，從而提高耐腐蝕性。另外，設(shè)計(jì)在AUV表面殼體上增加涂料涂層，對(duì)于鋁合金進(jìn)行表面做陽極氧化處理后，再涂以聚氯乙烯塑料涂層。3.4本章小結(jié)本章根據(jù)第二章AUV分層設(shè)計(jì)，主要針對(duì)其中的第二以及第三層級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二層級(jí)主要為推進(jìn)裝置與舵的設(shè)計(jì)，包括推進(jìn)器的排列、舵的設(shè)計(jì)，并給出原理圖，設(shè)計(jì)推進(jìn)器以及舵的密封，涉及選用、設(shè)計(jì)等多方面；第三層級(jí)能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章最后進(jìn)行了AUV整體防腐蝕的設(shè)計(jì)，確保AUV在惡劣的工作環(huán)境下良好工作。

4關(guān)鍵部分校核與分析對(duì)于AUV的校核與分析，需要校核的部位有電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸、AUV穩(wěn)心、舵、整體外形以及在水中的運(yùn)動(dòng)情況。就AUV電機(jī)連接軸以及舵機(jī)連接軸與穩(wěn)心的校核，擬采用公式校核；對(duì)于電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸、整體的靜態(tài)分析輔以solidworks有限元分析；對(duì)于水中動(dòng)態(tài)分析采用基于ansys的有限元分析進(jìn)行。4.1關(guān)鍵部位的校核4.1.1電機(jī)與舵機(jī)連接軸的校核電機(jī)傳動(dòng)軸主要受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，彎矩可忽略不計(jì)，對(duì)于此類軸可以使用以下公式（4-1）進(jìn)行初步的校核：（4-1）其中，查得電機(jī)連接軸材料304鋼在100℃以下的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為137MPa，公式中：τT–扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa；T-軸所受的扭矩，N·mm；WT–軸的抗扭截面系數(shù)，其中，電機(jī)連接軸鍵槽是單鍵槽，單鍵槽抗扭截面系數(shù)WT的計(jì)算公式（4-2）如下所示：（4-2）其中：b-鍵槽寬度，0.004m；t-鍵槽深度，0.002m；d-軸的直徑，0.008m。考慮電機(jī)極限情況堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，選用電機(jī)EC45堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為952mNm，代入計(jì)算得：==952mNm/（）=40.715MPa<137MPa經(jīng)校核，電機(jī)連接軸強(qiáng)度滿足條件，選用滿足AUV整體推動(dòng)要求。舵機(jī)連接軸的校核與電機(jī)連接軸類似，舵機(jī)連接軸不帶有鍵槽，使用下列公式（4-3）計(jì)算舵機(jī)連接軸的抗扭截面系數(shù)WT：（4-3）舵機(jī)連接軸d=0.008m；代入計(jì)算得到：==365mNm/=15.61MPa<137MPa舵機(jī)連接軸符合要求，選用合理。4.1.2穩(wěn)心的校核為保持水下自主航行器穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機(jī)器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于7cm，大型水下機(jī)器人應(yīng)相應(yīng)增大，本課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選用7cm。本課題主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)第一層級(jí)以及第二層級(jí)空氣中的質(zhì)量為40kg，整體水下自主航行器可以提供的浮力可由下式（4-4）計(jì)算：（4-4）計(jì)算得可提供68.8kg的浮力，浮心位置約在中軸線中部，已設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)重心位置在中軸線靠后，可調(diào)整剩余結(jié)構(gòu)使其重心靠近中部，重心偏下符合穩(wěn)心相對(duì)較高的設(shè)計(jì)要求。4.2基于solidworks的靜態(tài)分析利用solidworks附帶的SimulationXpress功能進(jìn)行有限元分析，首先對(duì)于被分析對(duì)象進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，添加夾具等，然后添加相應(yīng)的力，再劃分網(wǎng)格進(jìn)行分析。4.2.1電機(jī)與舵機(jī)連接軸的分析電機(jī)與舵機(jī)連接軸是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，上節(jié)進(jìn)行了初步的分析，本節(jié)基于solidworks的有限元分析功能對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的靜態(tài)分析。電機(jī)在工作時(shí)的堵轉(zhuǎn)扭矩為952mN.m，將扭矩?fù)Q算成于鍵槽面施加的力，取鍵槽中心位置，約合為238N。首先對(duì)于電機(jī)連接軸施加扭矩，在此轉(zhuǎn)化為對(duì)于實(shí)體一端進(jìn)行施力以達(dá)到與施加扭矩相同的效果。舵機(jī)連接軸在被舵機(jī)帶動(dòng)時(shí)，實(shí)際所需力較小，考慮安全因素，采用200N作為靜態(tài)分析的施加力。電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸都采用304鋼作為制作材料，材料屬性如表4-1所示：表4-SEQ表格\*ARABIC1304鋼屬性模型參考屬性零部件名稱:AISI304模型類型:線性彈性同向性默認(rèn)失敗準(zhǔn)則:未知屈服強(qiáng)度:206.807N/mm^2張力強(qiáng)度:517.017N/mm^2SolidBody(電機(jī)連接軸)對(duì)于電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸（前置）、舵機(jī)連接軸（后置）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果分別如表4-2所示：電機(jī)連接軸（a）、前置舵機(jī)連接軸（b）、后置舵機(jī)連接軸（c）在SimulationXpress中的具體網(wǎng)格劃分示意如圖4-1所示。表4-2電機(jī)連接軸舵機(jī)連接軸（前置）舵機(jī)連接軸（后置）節(jié)點(diǎn)總數(shù)778897446275626單元總數(shù)516355008550893最大高度比例11.1973.60084.9041單元（%），高寬比＜399.799.899.8單元（%），高寬比＞100.0077500扭曲單元（雅克比）的%000電機(jī)連接軸電機(jī)連接軸b)前置舵機(jī)連接軸c)后置舵機(jī)連接軸圖4-1電機(jī)連接軸的靜態(tài)分析結(jié)果是為下圖4-2展現(xiàn)：圖圖4-2電機(jī)連接軸靜態(tài)分析圖中凸起為方便施加扭矩所加，不影響分析結(jié)果，圖中變形為方便觀察所示，實(shí)際變形人眼無法觀測，分析結(jié)果表明，電機(jī)連接軸在堵轉(zhuǎn)時(shí)所受到的最大應(yīng)力為184.286N/mm^2(MPa)，處于電機(jī)連接軸與螺旋槳連接處前的退刀槽，電機(jī)連接軸的屈服應(yīng)力為206.807MPa，最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，故電機(jī)連接軸設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。在堵轉(zhuǎn)扭矩下的電機(jī)連接軸變形如圖4-3所示，最大變形處約為0.07mm。圖圖4-3電機(jī)連接軸變形示意圖舵機(jī)連接軸（前置）與舵機(jī)連接軸（后置）的分析如表4-3所示：表4-3應(yīng)力分析名稱類型最小最大StressStressVON:vonMises應(yīng)力VON:vonMises應(yīng)力0.0357449MPa0.0304046MPa134.767MPa136.929MPa其具體受力三維示意圖是為圖4-4、4-5所示：圖圖4-4前置舵機(jī)連接軸受力示意圖圖圖4-5后置舵機(jī)連接軸受力示意圖最大應(yīng)力位于退刀槽且其最大應(yīng)力分別為134.767MPa、136.929MPa，小于極限應(yīng)力206.807MPa，故兩電機(jī)連接軸強(qiáng)度符合要求。兩電機(jī)連接軸形變示意為下圖4-6、4-7。圖圖4-6前置舵機(jī)連接軸變形示意圖圖圖4-7后置舵機(jī)連接軸受力示意圖忽略輔助快部分，兩軸的極大形變相近，數(shù)值上為0.027mm。如圖4-8所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)），三軸安全系數(shù)皆大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)，電機(jī)以及舵機(jī)連接軸滿足要求。電機(jī)連接軸電機(jī)連接軸b)前置舵機(jī)連接軸c)后置舵機(jī)連接軸圖4-84.2.2AUV耐壓殼主體分析AUV耐壓殼的主體已經(jīng)在上文完成穩(wěn)態(tài)分析，在本節(jié)中，將完成耐壓殼體的靜態(tài)分析，主要針對(duì)耐壓殼體的所受的壓力以及可能產(chǎn)生的形變。首先，對(duì)于耐壓殼體進(jìn)行載荷的施加，因?yàn)槟蛪簹んw所處環(huán)境為水下，所以耐壓殼體所受的壓力為全外表面。對(duì)于耐壓殼體外表面設(shè)定壓力為一般有限元分析中的邊界條件設(shè)定，具體載荷如表4-4所示：表4-4載荷施加載荷名稱裝入圖象載荷細(xì)節(jié)壓力-1實(shí)體:3面類型:垂直于所選面值:296000單位:N/m^2相位角度:0單位:deg確定邊界條件之后，對(duì)耐壓殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)閟olidworks有限元分析的限制，所以將網(wǎng)格密度提升以達(dá)到更精確的分析結(jié)果。劃分方式如下圖4-9所示：圖圖4-9網(wǎng)格劃分示意圖使用SimulationXpress進(jìn)行模擬運(yùn)算，獲得對(duì)于AUV耐壓殼體的靜態(tài)分析結(jié)果。AUV的靜態(tài)應(yīng)力如圖4-10所示。圖圖4-10AUV靜態(tài)分析由圖可知，最大應(yīng)力處為舵機(jī)艙與艙體3交界處，最大應(yīng)力為6.714MPa，6061合金的最大屈服應(yīng)力為55.148MPa，符合強(qiáng)度要求。圖中所示的變形為變形示意，真實(shí)變形為圖4-11數(shù)據(jù)所示，4-11圖中變形同為示意，為方便觀察所設(shè)立，實(shí)際變形情況以數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。其中變形最大部位在AUV半圓形頭部，最大變形約為0.02843mm，實(shí)際設(shè)計(jì)中內(nèi)部各艙體連接處具有肋骨支撐，防止其變形。整體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖4-12所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)）：圖圖4-11AUV靜態(tài)位移圖4-12AUV安全系數(shù)示意如圖所示，AUV耐壓殼殼體整體安全系數(shù)大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度要求。4.2.3AUV舵的分析AUV舵采用材料與耐壓殼體一致，屬性如表4-7所示，對(duì)AUV舵設(shè)置邊界條件，舵所受壓力為0.296MPa，邊界條件設(shè)置如下圖4-13所示：邊界條件確定，對(duì)舵采用網(wǎng)格劃分，以繼續(xù)后續(xù)有限元分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果于圖4-14展現(xiàn)。舵舵1邊界條件b)舵2邊界條件圖4-13圖圖4-14舵1網(wǎng)格劃分b)舵2網(wǎng)格劃分使用SimulationXpress進(jìn)行模擬計(jì)算舵1以及舵2在受到水下20m處靜態(tài)壓力下的受力與變形情況。受力情況于圖4-15與4-16展現(xiàn)，4-15為舵1的受力分析圖，其中壓力最大處為1.11657MPa，而其屈服極限為55.148MPa,舵1強(qiáng)度符合要求；4-16為舵2的受力分析圖，壓力最大處為1.10478MPa，符合強(qiáng)度要求。舵1、舵2的變形情況如圖4-17、4-18所示，舵1的最大變形處位于舵頂部，變形量為0.0003mm；舵2的最大變形處與舵1一致，位于舵頂部轉(zhuǎn)折處，最大變形量為0.0002mm。圖圖4-15舵1受壓示意圖圖圖4-16舵2受壓示意圖圖圖4-17舵1變形示意圖圖圖4-18舵2變形示意圖圖圖4-19舵1安全系數(shù)b)舵2安全系數(shù)舵1、舵2的整體安全系數(shù)如圖4-19所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)），整體安全系數(shù)大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)。4.3基于AnsysWorkbench的AUV動(dòng)態(tài)分析Ansys在12版本開始，已經(jīng)集成了fluent的流場分析功能，本文使用ansys的workbench集成模塊進(jìn)行水下自主航行器的動(dòng)態(tài)分析，主要分析其在航行時(shí)的受壓以及流場特性，AUV的航速設(shè)計(jì)指標(biāo)為1.5-3.5節(jié)，考慮水流速度的影響，分析時(shí)取流場相對(duì)AUV速度為4節(jié)，約合2m/s，AUV于水中靜止。4.3.1網(wǎng)格劃分使用ansysworkbench對(duì)AUV進(jìn)行分析，首先加載FluidFlow(CFX)模塊，于Geometry中加載solidworks中導(dǎo)出的STEP文件，完成AUV整體外形的導(dǎo)入工作，然后使用Mesh對(duì)AUV模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，Meshing對(duì)于網(wǎng)格的創(chuàng)建可分為全局網(wǎng)格控制和局部網(wǎng)格控制兩種，本文使用其全局網(wǎng)格控制功能，取尺寸為1200cm*1200cm*1200的正方體流場，關(guān)聯(lián)中心使用細(xì)化對(duì)正方體流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格劃分如圖4-20所示。圖4-20Mesh網(wǎng)格劃分示意圖4.3.2邊界條件的設(shè)定圖4-21setup中邊界條件設(shè)定示意圖完成對(duì)流場的網(wǎng)格劃分后，進(jìn)入setup選項(xiàng)，對(duì)流場進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，流場共有六個(gè)邊界，劃分邊界，定義AUV頭部指向面為水流流入方向in，添加水流流入速率為2m/s；AUV尾部指向?yàn)榱鞒龇较騩ut，設(shè)定壓強(qiáng)為0Pa；左右面設(shè)置成sys邊界面，設(shè)置流場壓強(qiáng)為296000Pa；上下為open開口面，設(shè)置相對(duì)壓強(qiáng)為296000Pa。劃分示意如圖4-21圖4-21setup中邊界條件設(shè)定示意圖4.3.3分析結(jié)果使用solution進(jìn)行流場分析求解，于Results選項(xiàng)查看分析結(jié)果，對(duì)于AUV在流場中的速度、壓力、變形以及流場分別表示。圖圖4-22流場中的AUV示意圖流場中的AUV如圖4-22所示，圖中繞AUV的水流速度以及水流的瞬時(shí)流動(dòng)狀態(tài)可由帶箭頭的線段表示，舵機(jī)葉片處水流呈上下分層的形式，多機(jī)葉片采用流線型，水流對(duì)于其的作用類似機(jī)翼在空氣中的情況，使AUV具有類似滑翔器的效果，水流在AUV頭部時(shí)有向外擴(kuò)張，AUV尾部水流收攏，與2.2.1節(jié)中所述設(shè)計(jì)一致。在該設(shè)計(jì)下，AUV能較好的平衡節(jié)能與整體尺寸的關(guān)系，整體性能在四種模型中最佳。該模型是在AUV不動(dòng)，流場運(yùn)動(dòng)的相對(duì)情況下建立，對(duì)比AUV運(yùn)動(dòng)分析圖4-23，兩者近乎一致，分析合理。附帶流場在AUV邊界處的水流速度與方位圖4-24，其中略去了整體流場對(duì)于觀察的干擾。流場中AUV壓力如圖4-25所示，該壓力為流場運(yùn)動(dòng)帶來的壓力與周邊水流實(shí)際壓力結(jié)合產(chǎn)生的對(duì)于AUV實(shí)際的壓力，流場壓力相對(duì)靜態(tài)壓力較小，兩者壓力相互疊加作用依舊小于極限應(yīng)力，符合要求，設(shè)計(jì)合理。圖圖4-23AUV速度參照示意圖圖4-24AUV周邊水流示意圖圖4-25AUV整體壓力示意圖4.4本章小結(jié)本章就AUV的校核分析，對(duì)于電機(jī)與舵機(jī)連接軸和穩(wěn)心進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式校核；對(duì)于電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸耐壓殼體以及舵進(jìn)行基于SolidWorks的SimulationXpress有限元靜態(tài)分析，驗(yàn)證結(jié)果符合要求；對(duì)于AUV整體進(jìn)行基于AnsysWorkbench的有限元?jiǎng)討B(tài)分析，驗(yàn)證整體水下運(yùn)動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求。本章為AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

全文展望與總結(jié)1．全文總結(jié)本課題為自擬課題，旨在完成AUV整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為水下探測裝置提供搭載平臺(tái)，為日后結(jié)構(gòu)的研究提供相應(yīng)資料。本文主要完成的工作總結(jié)如下：在設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定相應(yīng)的工作條件，進(jìn)行了AUV從無到有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，其中主要有耐壓殼體的設(shè)計(jì)，包括耐壓殼體的形狀設(shè)計(jì)、材料選用、密封設(shè)計(jì)；推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)，包括推進(jìn)裝置的排列設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的選用、傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)；舵的設(shè)計(jì)，包括舵形狀設(shè)計(jì)、舵機(jī)選用、傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)；AUV防腐蝕設(shè)計(jì)；觀察窗的設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合考慮耐壓殼體對(duì)于AUV整體安全的重要性等因素，對(duì)耐壓殼體的壁厚、外形等著重設(shè)計(jì)，參考前人資料，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核；推進(jìn)與舵系統(tǒng)作為AUV的主要運(yùn)動(dòng)單元，對(duì)于舵葉片、舵機(jī)連接軸、電機(jī)連接軸、連接方式著重設(shè)計(jì)；最后使用了基于solidworks的有限元分析對(duì)耐壓殼體以及舵系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析，確保其安全可行。本文結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，主要在于AUV的整體外形方面，綜合比較多種外形，選用其中最為合理的頭部半圓過渡，尾部流線過渡方式；參照結(jié)合滑翔器與AUV的結(jié)合研究，在舵的布置方面進(jìn)行大膽的嘗試；考慮密封性能，選用合適的靜密封以及動(dòng)密封方式。對(duì)設(shè)定好參數(shù)的AUV虛擬樣機(jī)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)分析，利用AnsysWorkbench平臺(tái)中的CFX項(xiàng)對(duì)AUV進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力、變形、速度、安全性能進(jìn)行全方面的分析，再而結(jié)合AUV的靜態(tài)分析結(jié)論，對(duì)于AUV的整體性能做出分析。2．展望水下自主航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，為水下研究探索提供了整體結(jié)構(gòu)的選擇，完成了既定的要求。由于各種原因以及作者水平有限，本文還有一些需要完善以及進(jìn)一步研究的問題：由于缺乏實(shí)體的制作，本文所完成的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的支撐，鑒于實(shí)際情況較為復(fù)雜，仿真結(jié)果不可避免會(huì)存在一定的偏差，在后續(xù)的研究中需要作出實(shí)物或改進(jìn)后的實(shí)物反饋設(shè)計(jì)本身，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包含第一層級(jí)AUV的耐壓殼體設(shè)計(jì)以及第二層級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)以及舵的設(shè)計(jì)，對(duì)于第三層級(jí)第四層級(jí)概念設(shè)計(jì)，預(yù)留了安置與改裝的空間，需要進(jìn)一步的確定剩余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AUV本身尺寸較大，對(duì)于其小型化的研究函待繼續(xù)，并且AUV的尺寸受電池等原件的影響較大，如何開發(fā)高能源的同體積電池是解決AUV體積較大的關(guān)鍵問題。AUV進(jìn)行了簡單情況下的動(dòng)態(tài)分析，缺乏復(fù)雜海流情況下的水動(dòng)力分析，需進(jìn)一步的研究。

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