船舶维护水下柔性机器人结构与仿真研究.doc

船舶维护水下柔性机器人结构与仿真研究随着国际上船舶业的发展,水下机器人朝着船舶航行过程中所配套的检测设备发展,是快速检测船体的重要手段之一,具有举足轻重的作用。自治水下机器人(AUV)的应用前景非常广阔,浅水观察级AUV的研究对于我国浅水水域检测与探索具有重大意义。针对目前船舶航行中维护检测方面的需要,结合国内外AUV的设计方法,本论文开发了一种柔性结构水下机器人。该机器人能实现小范围快速转弯、动作灵活,抗疲劳性能好等功能,为船舶的快速维护检测提供有力保障,有效防止船体故障的进一步恶化。在研究了国内外AUV与柔性机器人的发展现状、结构设计形式和总体设计方案等的前提下,根据本论文设计的AUV的工作环境与作业目的设计了虚拟结构样机。本论文主要设计了AUV的柔性主体、舱体方案、密封结构与推进模块;重点提出了对柔性主体的自身转弯—利用舵机控制与推进器的差速推进快速转弯;从密封圈的类型,材质去选择,在主要密封部位设计L型三级密封结构,结构内部为波浪线型表面,增大密封圈的接触面积,增加了磨擦阻力,减小密封圈变形以达到更好的密封效果。采用4个主推进器与4个平衡推进器作为AUV的驱动部分,其能达到快速推进,满足AUV的平衡性。建立了AUV运动学模型,确定了AUV的空间运动在大地坐标系与运动坐标系之间的变换关系,从AUV的空间6自由度运动方程推导简化水平面、正垂面和铅垂面的运动表达式。结合重力、浮力、水动力与环境干扰力,推导出AUV运动时的动力学模型。利用Ansys软件对所设计的AUV进行了水动力仿真,计算了AUV在不同推进速度下所受压力情况。AUV从陆地到水下作业的环境突变,密封结构在受水压情况下必然产生应力进而发生疲劳,影响AUV寿命。在分析了疲劳、蠕变与硬度的关系后,提出了通过对密封结构材料铝合金进行强化研磨加工,提高其硬度以减少疲劳,延长AUV寿命。选取合适的加工工艺参数,分别对试样进行了不同强化研磨加工时间进行实验,并针对不同加工时间的试样进行硬度测试,分析其测试结果,选取最有利于水下机器人密封结构表面硬度及较小内应力的加工时间。