王衛(wèi)兵，牛健文，晁貫良

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

0 引言

隨著科學(xué)的進(jìn)步，在各領(lǐng)域中，機(jī)器人的運(yùn)用和研制越來越受到重視，特別是能在水中游動的機(jī)器魚。由于陸上資源的日益緊缺，海洋成為了人類獲取能源、礦產(chǎn)、生物等資源的重要空間。為了協(xié)助人類更好的探索水下的世界，人們研究了多種適應(yīng)水環(huán)境的水下機(jī)器魚。目前對于魚類推進(jìn)理論模型、仿生機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)、推進(jìn)速度等方面的研究已在眾多文獻(xiàn)中涉及，但是對于機(jī)器魚在不同水深時的受力情況，還很少有文獻(xiàn)提及[1-4]。本文首次從應(yīng)力的角度，模擬出殼體在不同水深的應(yīng)力分布狀況，計(jì)算出殼體滿足強(qiáng)度要求的最大水深，為探討機(jī)器魚的下潛深度提供了一種方法。

1 機(jī)器魚殼體CAD模型的建立

為了研究機(jī)器魚殼體的實(shí)際受力情況，計(jì)算工作載荷下的應(yīng)力和變形，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，需建立殼體的三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析。實(shí)際上，殼體設(shè)計(jì)問題往往是非常復(fù)雜的，形狀各異，復(fù)雜的計(jì)算模型雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但會相應(yīng)地增加計(jì)算時間，降低工作效率，因此就要求在建立計(jì)算模型過程中，把模型進(jìn)行適當(dāng)簡化和抽象[5-6]。

基于SolidWorks機(jī)器魚殼體的建模方法如下，如圖1所示：

步驟一：拉伸。繪出機(jī)器魚殼體的草圖（兩個半橢圓組成），拉伸為不對稱橢圓形柱體；

步驟二：兩次旋轉(zhuǎn)切除。在草繪平面中繪制截面圖，利用旋轉(zhuǎn)切除的方法，分別旋轉(zhuǎn)90°切出殼體前端的上下兩個曲面；

步驟三：抽殼。選擇抽殼的基準(zhǔn)面，輸入厚度5mm，進(jìn)行抽殼；

步驟四：拉伸切除。選擇基準(zhǔn)面繪制草圖，然后通過拉伸切除的方法，獲得最終模型。

2 建立機(jī)器魚殼體模型的CAE模型

2.1 機(jī)器魚殼體CAD模型的導(dǎo)入

通過SW完成了殼體的三維建模之后，可以通過調(diào)用相關(guān)接口程序?qū)⒃撃Ｐ椭苯愚D(zhuǎn)換成ANSYS可以識別的文件格式。SAT是一種普遍接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式，用來在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在SW中建立的文件另存為SAT格式，再用ANSYS中File/Import以Normal Faceting將存的.sat文件導(dǎo)入，可得到準(zhǔn)確的三維模型[7-9]。

2.2 材料參數(shù)

定義殼體選用LY12材料。LY12是一種高強(qiáng)度硬鋁，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化和變形強(qiáng)化；因?yàn)楸旧淼目刮g性不高，所以采用陽極氧化處理與涂漆方法以提高其抗腐蝕能力[10]。經(jīng)淬火、自然時效狀態(tài)下LY12材料的主要力學(xué)性能如表1所示：

表1 LY12材料的各項(xiàng)指標(biāo)

2.3 網(wǎng)格劃分

因?yàn)镾OLID45是一個八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，適用于CAD/CAM中不規(guī)則的復(fù)雜模型，該單元有8個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度，單元具有大變形、大應(yīng)變、塑性以及蠕變等功能。因此選擇單元庫中structural solid中的Brick 8node 45為殼體的實(shí)體單元。為了劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格之前，利用布爾操作將模型切分成12部分。模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為4021個，單元總數(shù)為11936個。

2.4 載荷的施加

機(jī)器魚殼體尺寸相對下潛水深很小，簡化為同一水深，以便于力學(xué)分析和校核。機(jī)器魚殼體變形隨下潛深度而變化，當(dāng)水深為h時，其壓力為ρgh。取h＝10m，可得P＝98000Pa，載荷的方向均指向殼體的法面方向。

2.5 邊界條件

由于機(jī)器魚的頭部與尾部相接的部位是與一塊比較厚的鋁板連接在一起的，這塊比較厚的鋁板所能承受的力要遠(yuǎn)大于機(jī)器魚的殼體，所以在此直接使頭部與尾部相接的整個面完全約束。如圖2所示。

3 力學(xué)分析與強(qiáng)度校核

3.1 力學(xué)分析

當(dāng)取水深為10m時，通過ANSYS軟件分析，得出節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖，由圖3得出殼體的最大變形位移為3.46E-05m；節(jié)點(diǎn)等效最大應(yīng)力為11.0MPa。

3.2 力學(xué)強(qiáng)度校核

目前一般機(jī)械制造中，在靜載荷的情況下，對塑性材料的安全因數(shù)可取ns=1.2 2.5。因?yàn)長Y12為塑性材料，在本文中取 ns=2.2 。對沒有明顯屈服極限的塑性材料，可以將產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服指標(biāo)，所以 [] =s/ ns=0.2/ns=147.73Mpa。碳鋼、銅、鋁等塑性材料，通常以屈服的形式實(shí)效，宜采用最大切應(yīng)力理論和畸變能密度理論來校核[7]。

進(jìn)入ANSYS的通用后處理器模塊中，單擊Nodal Solution命令，打開節(jié)點(diǎn)應(yīng)力輸出表，找到最大等效應(yīng)力點(diǎn)為449。該節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力為：

所以，機(jī)器魚殼體滿足第三和第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件。說明機(jī)器魚在水深10m處的時候，殼體足夠安全。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，再次通過ANSYS軟件進(jìn)行分析。在分別選取水深為85m和110m的情況下，利用上述公式進(jìn)行驗(yàn)證校核。加載和約束的方法同上，并得出相應(yīng)的應(yīng)力圖，如圖4、5所示。

在水深85m 110m之間選取幾種情況，加載和約束的方法同上，經(jīng)整理，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，當(dāng)水深小于104m時，殼體可以保證其強(qiáng)度要求。而當(dāng)水深為105m時，最大單元等效應(yīng)力大于YL12的許用應(yīng)力，此時機(jī)器魚殼體已不再安全。

表2 ANSYS結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過在SolidWorks中對機(jī)器魚殼體進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加載荷分析后，得到殼體在不同水深處的應(yīng)力分布狀況，

揭示出了殼體在水中承載時的應(yīng)力分布規(guī)律和變形情況。盡管殼體校核需要考慮的因素很多，模擬現(xiàn)實(shí)也并非100%，但畢竟為解決純理論校核定性不能定量的問題、為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了一個途徑。因此，提出的校核方法具有較強(qiáng)的實(shí)際使用價值。

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