水产品捕捞机器人耐压壳体优化分析

刘义翔　于晓芳　王希贵

摘要：本文是基于水产品研发的一种水下捕捞机器人，采用有限元分析方法对水下捕捞机器人的耐压壳体厚度进行优化，避免船体承受压力过大而损坏，保证水下机器人的正常航行。船体耐压壳体作为水下捕捞机械的重要结构部件，不仅要满足其稳定性要求，而且要满足水下压力允许范围内的强度要求。优化后的机器人耐压壳体结构更符合水下作业机器人功能要求，总体上减轻机器人的重量，节省材料和成本，为实际工程应用提供可靠的参考数据。

关键词：有限元方法; 耐压壳体; 水下机械;捕捞机器人; 优化分析

中图分类号：TP242.2;U674.94文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0069-04

Optimal Analysis of Pressure Hull of Underwater Fishing Robot for Aquatic Products

LIU Yixiang 1， YU Xiaofang 1， WANG Xigui 2

（1.School of Light Industry， Harbin University of Commerce， Harbin 150028; 2. College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：In the paper， an underwater fishing robot for aquatic products is developed. The finite element analysis method is used to optimize the thickness of the pressure hull of underwater robot， which can prevent hull pressure from being damaged to ensure the normal operation of the underwater vehicle. As an important structural component of underwater fishing machinery， the pressure hull should not only meet the requirements of stability but also require its strength within the allowable range under underwater pressure. The optimized pressure hull structure is more in line with the functional requirements of underwater fishing robots， the weight of the robot overall is reduced， the materials and costs of that are saved， and the reliable reference data for practical forestry engineering applications are provided.

Keywords：Finite element method; pressure hull; underwater vehicle; fishing robot; optimal analysis

0引言

海洋中蘊藏着丰富的生物资源和矿产资源，随着陆地及林业资源枯竭，海洋资源开发利用对人类发展和社会进步的推动作用越发明显，水下机器人作为一种高新技术工具，在海底这块人类未来最具潜力的可发展空间中起着至关重要作用 [1-4]。因此，一种针对水产品的水下捕捞机器人应运而生。水下捕捞机器人耐压壳体作为重要组成构件，要求其满足承重与支撑功能的同时，需要具有足够的强度与稳定性，才能在不同工况下完成作业要求。因此需要对其进行ANSYS有限元优化分析，从而确定最佳厚度。在满足性能要求的同时，减轻整体结构的重量，降低成本。

1耐压壳体模型建立与简化

该耐压壳体在进行有限元分析时，由于结构的复杂性，有必要对不重要的复杂曲面细节予以简化，以便于求解和分析。

1.1耐压壳体模型的建立

该水下机器人需要满足捕捞作业要求。因此耐压壳体留有平台支撑，便于安装采集舱。耐压壳体的模型建立如图1所示。

由图1可知，该结构存有过多的曲面，在进行有限元分析时，计算会过于复杂，故在不影响整体分析的基础上，对该结构进行简化，以便于后期分析。

1.2耐压壳体模型的简化

对耐压壳体进行简化的前提是最大限度地使简化过后的模型，在进行分析时与原有模型尽可能保持接近 [5-6]。因此，在简化时只去除了部分圆角和过于复杂的过渡曲面，保留了原始模型的重要特征，基本不影响壳体进行有限元分析时的精确度，简化后的模型如图2所示。

2耐压壳体的有限元分析

设定水下捕捞机器人的作业深度为50 m，极限作业深度为100 m，为保证耐压壳体能在极限工况下满足作业强度不被破坏，在进行有限元分析时，取极限作业深度100 m的静水压为加载的载荷。

大型重载潜水器的壳体制造一般采用为高强度钢Q460 [7]，但考虑到机器整体重量，硬质铝合金2A12的密度较小。为了更好地选择材料，将两种材料的性能进行了比较，见表1。由表1可知2A12的屈服强度与抗拉强度虽然略小于Q460，但由于Q460的密度远大于2A12，又由于该机器作业于浅海，受载相对较小，且该机器整体尺寸也较小，综合考虑，选取铝合金2A12作为铸造材料，该材料为各向同性，介质均匀。

根据经验，安全系数取1.5 [8]，在该工况下，圆筒形的耐压壳体厚度为1～3 mm，加厚耐压壳体壁厚会提高耐压壳体强度和稳定性，因此厚度取3 mm。

2.1有限元分析的前期处理

利用ANSYSyWorkbench15.0对该壳体进行有限元分析时，需要进行前期处理，包括材料厚度、材质的确定、网格划分、施加载荷与添加约束。

材料厚度和材质确定为3 mm的2A12铝合金，网格划分时采用面网格，施加的载荷为静水压载荷，浅海海水密度 ρ 为1 005 kg/m 3，加速度 a 为重力加速度9.8 m/s 2，方向为垂直于耐压壳体平板，竖直向下，水压深度 h 为100 m，根据静水压公式，得出所施加载荷 p 的大小如下 [9-10]：

p = ρ×a×h=1 005×9.8×100=0.984 9 Pa（1）

除此之外，对模型添加固定约束，在工作中，该耐压壳体前、后端面均要与机器的首尾部通过法兰盘相连，因此要对耐压壳体两个端面施加固定约束。由于分析的是耐压壳体在静水压情况下的受力，因此还要对壳体施加转动约束。

2.2分析结果及后处理

在前期处理结束后，应用ANSYS软件对模型进行计算求解，应力分析如图 3所示;位移分析结果如图4所示。

由图3可知，在上述极限深度下的载荷与约束条件下，该耐压壳体的最大应力为42.192 MPa，满足强度要求，它保证了该机器能够在100 m水深的极限工况下进行安全作业。

由图4可知，耐压壳体在该工况下的最大位移为0.006 588 7 mm，而该材料的延伸率为10%，因此满足设计要求。

3耐压壳体的目标优化分析

综上分析可知，在3 mm的厚度下，该壳体满足极限工况的要求，但是对于水下捕捞机器人来说，要求尽可能减少重量，因此，需要对耐压壳体选择一个最优的设计方案 [11]。

根据经验，该形状的铝合金壳体，在100 m水深的工况下的壳体厚度范围在1～3 mm之间，耐压壳体的优化分析是以质量轻化为目标，以最大应力不超过216.6 MPa许用应力[ σ ]为约束条件，利用ANSYSworkbenc15.0软件，对壳体的厚度选择，进行目标优化 [12-13]。

3.1耐压壳体尺寸优化

在进行优化分析时，最大等效应力是检测该壳体是否满足工作要求的重要指标。因此将最大等效应力设置为目标函数：优化過程中其重要程度设置为高级，将壳体厚度以及线性位移设置为低级。同时以耐压壳体的厚度为输入变量，取值范围在1～3 mm，最大等效应力与最大位移量为输出变量 [14-16]。经过优化分析，得到了关于该目标设计的三组最优解，见表2。

分析由Workbench给出的目标驱动优化的三组解中，综合位移变形量、最大等效应力与壳体厚度的考虑，选择壳体厚度为1.795 0 mm的硬质铝合金2A12作为耐压壳体的材料。可见，在该厚度下的壳体仍然是满足极限工况的作业要求，因此耐压壳体为1.795 0 mm时是最佳厚度。

3.2优化前后对比

本次水下捕捞机器人的耐压壳体优化是将厚度从3 mm减少为1.795 0 mm，并且依然满足工作要求。其优化前后各数据对比见表3。

由表3中数据可知，优化后的耐压壳体虽然在最大等效应力与最大线性位移量上有所增加，但是都在安全范围以内，能够满足极限工况下的作业要求，耐压壳体的质量却减少了0.832 9 kg，相当于优化前壳体质量的40%，优化效果十分显著。

4结论

该小型水下捕捞机器人耐压壳体的优化分析，主要是材料的选择与壳体厚度的确定，上述为理想状态下，选择壳体1.795 mm时是最优厚度，但是在实际应用中，结合市场现有型号，工程应用中厚度应确定为2 mm [17-18]。优化后的耐压壳体质量明显减小，质量的改变量相对于整体质量来说相当可观，不仅节省铸造原料，降低了制造成本，同时也减轻了机器的整体负重，对于机器水下作业性能也有明显提升。对于诸如此类的水下作业机器人来说，耐压壳体的优化除了尽可能减轻壳体重量以外，还可以适当提高耐压壳的加工精度，以及进行结构上的优化，例如环肋加强，都能提高耐压壳的稳定性性能，亦为有效提高耐压壳体性能的方法。

【参考文献】

[1]赵树培.水下机器人3D建模与结构优化分析[J]. 机电工程技术， 2016，45（4）：18-20.

ZHAO S P. 3D modeling technology and structural optimization of underwater vehicle[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2016， 45（4）：18-20.

[2]王艳新，唐文秀，吴函，等.基于多传感器融合技术的智能抢险救灾机器人设计[J].林业机械与木工设备，2018，46（5）：17-20.

WANG Y X，TANG W X，WU H， et al. Design of intelligent emergency rescue robots based on multi-sensor fusion technology[J].Forestry Science & Technology， 2018，46（5）：17-20.

[3]KIM A， EUSTICE R M. Real-time visual SLAM for autonomous underwater hull inspection using visual saliency[J]. IEEE Transactions on Robotics， 2013， 29（3）：719-733.

[4]苗怡然， 高良田， 梁旭， 等. 水下航行器耐压壳体参数化设计优化[J]. 大连海事大学学报， 2017， 43 （2）： 33-38.

MIAO Y R， GAO L T， LIANG X， et al. Parametric optimization design of the pressure hull for automatic underwater vehicle[J]. Journal of Dalian Maritime University， 2017， 43（2）：33-38.

[5]杨岳， 何雪浤，水下机器人耐压壳体结构优化[J]. 机械科学与技术， 2016， 35 （4）： 614-619.

YANG.Y， HE X H， Structural optimization of underwater robot pressure hull[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2016， 35（4）：614-619.

[6]KIM A， EUSTICE R M. Pose-graph visual SLAM with geometric model selection for autonomous underwater ship hull inspection[C]. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems， IEEE Press， 2009：1559-1565.

[7]ALVAREZ A， BERTRAM V，GUALDESIL. Hull hydrodynamic optimization of autonomous underwater vehicles operating at snorkeling depth[J]. Ocean Engineering， 2009， 36（1）：105-112.

[8]伍莉， 徐治平， 張涛， 等. 球形大深度潜水器耐压壳体优化设计[J]. 船舶力学， 2010， 14（5）： 509-515.

WU L， XU Z P， ZHANG T， et al. Optimum design of spherical deep-submerged pressure hull[J]. Journal of Ship Mechanics， 2010， 14（5）：509-515.

[9]SARKAR T， SAYER P G， FRASER S M. A study of autonomous underwater vehicle hull forms using computational fluid dynamics[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 1997， 25（11）：1301-1313.

[10]ZHANG N， ZONG Z. The effect of rigid-body motions on the whipping response of a ship hull subjected to an underwater bubble[J]. Fluids & Structures， 2011， 27（8）：1326-1336.

[11]陈炉云，王德禹，基于 iSIGHT 的环肋圆柱壳动力学优化设计[J].中国舰船研究，2007，2（ 6） ： 1-3.

CHEN L Y， WANG D Y. Dynamic optimization de-sign of ring-stiffened cylindrical shell based on iSIGHT[J]. Chinese Journal of Ship Research， 2007， 2（6）：1-3.

[12]谢金鑫. 基于参数化有限元的潜水器结构优化设计[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学，2010.

XIE J X. Structural optimization design of underwater vehicle based on parametric finite element[J]. Harbin： Harbin Engineering University， 2010.

[13]PHILLIPS A B， FURLONG M， TURNOCK S R. The use of computational fluid dynamics to assess the hull resistance of concept autonomous underwater vehicles[C]. Oceans， IEEE， 2007.

[14]CHEN X， WANG P， ZHANG D Y. Surrogate-based multidisciplinary design optimization of an autonomous underwater vehicle hull[C]. International Symposium on Distributed Computing & Applications to Business， 2017.

[15]杨卓懿，于宪钊，庞永杰，等. 基于多目标遗传算法的潜器外形优化设计[J].船舶力学，2011，15（ 8） ： 874 -880.

YANG Z Y， YU X Z， PANG Y J， et al. Optimization of submersible shape based on multi-objective genetic algorithm[J]. Journal of Ship Mechanics， 2011， 15（8）：874-880.

[16]GAO T， WANG Y， PANG Y， et al. Hull shape optimization for autonomous underwater vehicles using CFD[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2016， 10（1）：601-609.

[17]CHUNG D， HONG S， KIM J. Underwater pose estimation relative to planar hull surface using stereo vision[C]. Underwater Technology， IEEE， 2017.

[18]马烈.1000 m轻作业型载人潜水器概念设计[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学，2012.

MA L. Conceptual design of 1000-meter light operating manned submersible[J]. Harbin： Harbin Engineering University， 2012.