水下机器人碰撞动力学仿真与分析

钱光跃

摘 要：为了检验水下机器人的碰撞性能，本文利用了Ansys/Workbench中的Explicit Dynamics模块对一种无人有缆水下机器人的碰撞过程进行数值模拟，并分析了该结构的碰撞性能。为水下机器人结构强度的分析提供了支持。

关键词：水下机器人；Explicit Dynamics；碰撞；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.192

1 引言

隨着人类对于海洋探测及水下作业的增多[1]，水下机器人技术得到了快速的发展。而在水下机器人的实际操作过程中，因为工作母船受到恶劣海况的影响，及人为操作不当，都有可能产生与船体的碰撞。为了研究水下机器人与船体甲板碰撞对其结构产生的影响，本文以一种浅海有缆水下机器人为例，进行了有限元仿真。

2 数值模拟前处理

有缆水下机器人的框架一般为开架式结构[2]，由钛合金、铝合金或不锈钢焊接而成。钛合金质量较轻，强度高，抗海水腐蚀性强，是三种材料里最适合做载体框架的选材。本文研究的水下机器人框架为TI-6Al-4V钛合金圆管焊接而成。

本文中仅研究碰撞对焊接框架和浮力材料的影响。在solidworks中对框架结构和浮力材料进行适当的简化建模，并保存成stp格式导入Workbench中进行分析。

对模型进行材料参数设定。

对焊接框架及浮力材料施加1m/s的初速度，甲板施加固定约束。为减少计算时间，框架前沿与甲板相切。使整体与甲板呈30°倾斜相撞。设置计算时间为0.05s。

3 仿真结果分析

框架在发生碰撞后，在0.005s时承受的应力最大。

在仿真得到分析后，需要结合计算公式强度校核，对最大应力和该材料的许用应力值进行比较。钛合金属于塑性材料，塑性材料的许用应力计算公式为：

TI-6Al-4V钛合金的屈服强度为650MPa，带入后，求得。可以看出，焊接框架碰撞的最大应力接近TI-6Al-4V钛合金的许用应力，所以应避免更强烈的碰撞。而浮力材料所受最大应力较小，基本不会产生损坏。

4 结论

通过对水下机器人结构碰撞动力学过程的数值模拟，得出碰撞对水下机器人的碰撞可能会产生影响。因此水下机器人的布防及回收工作应尽量在海况较好时进行，并提前对工作人员进行止荡的操作培训，避免与船体剧烈碰撞对设备的损坏。

参考文献：

[1]俞宙.一种海缆巡检ROV的机械结构设计与控制系统开发[D].杭州电子科技大学，2015.

[2]宋辉.ROV的结构设计及关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2008.

[3]周军，梅志远，王永历，周晓松.低模高弹体泊松比试验测试方法[J].中国舰船研究，2018，13（02）：91-96+122.