□方勇

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所 湖北宜昌 443003

隨著各國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正在日益減少。為了生存和發(fā)展，人們開始向海洋進(jìn)軍，近20年來，美國、日本、法國和俄羅斯已開發(fā)了多型水下機(jī)器人，運(yùn)載各種科學(xué)儀器和探測(cè)設(shè)備精確地到達(dá)各種深海復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行高效的資源勘探、科學(xué)考察和打撈作業(yè)［1］。20世紀(jì)90年代初，我國也相繼投入大量的人力和物力進(jìn)行水下機(jī)器人的研究開發(fā)。

載體框架是水下機(jī)器人的重要組成部分，既是傳遞各種載荷的承力構(gòu)件，又是裝載探測(cè)設(shè)備等儀器的載體，因此，載體框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到水下機(jī)器人航行任務(wù)的成敗。在方案設(shè)計(jì)初期需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析和計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果反復(fù)修改設(shè)計(jì)，直至滿足總體要求。

在目前的大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中，人們常常采用傳統(tǒng)力學(xué)分析與有限元相結(jié)合的方式。本文根據(jù)總體提供的載荷數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)力學(xué)公式與ANSYS軟件進(jìn)行了強(qiáng)度分析和計(jì)算，通過建立合理的有限元模型，得到了應(yīng)力和變形狀態(tài)，并通過加載試驗(yàn)對(duì)載體框架進(jìn)行了驗(yàn)證，保證了其安全性和可靠性。

1 載體框架的強(qiáng)度分析

1.1 載體框架的結(jié)構(gòu)組成

載體框架的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由前法蘭、后法蘭、加強(qiáng)筋、主承力管和輔承力管等組成?？蚣懿捎貌讳P鋼型材和加工件焊接成型，上下兩根主承力管和四根輔承力管貫穿全長，作為承力主梁；軸向布置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與承力管焊接為一體；承力管兩端焊接前法蘭和后法蘭。艏、艉艙的載荷通過法蘭傳遞至載體框架，載體框架的下部設(shè)計(jì)有各種探測(cè)設(shè)備和儀器的安裝接口。

1.2 載體框架傳統(tǒng)力學(xué)分析

載體框架的受力簡化模型如圖2所示，艏、艉艙在框架的兩端法蘭處產(chǎn)生向下的力Q1、Q2及彎矩M1、M2，內(nèi)部裝載設(shè)備產(chǎn)生的力簡化為均布載荷q,兩點(diǎn)起吊力為 R1和 R2。

將載荷數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式計(jì)算可得載體框架的彎矩及撓度［2］，彎矩如圖3所示，撓度如圖4所示。

▲圖1 載體框架結(jié)構(gòu)組成圖

▲圖2 載體框架受力模型圖

▲圖3 彎矩圖

▲圖4 撓度圖

載體框架的載荷是沿著垂直于梁軸的方向作用的，彎矩沿梁長度方向變化很迅速，在x=4.98 m處彎矩達(dá)到最大，最大彎矩為Mmax=283 595 N·m，最大彎曲應(yīng)力為：

由圖4可以看出，最大撓度出現(xiàn)在載體框架的兩端，最大撓度為 νmax=3 mm＜［ν］=3.5 mm。

上述載體框架的傳統(tǒng)計(jì)算方法，只能算出某一截面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映框架上應(yīng)力及分布的真實(shí)情況。因此，它僅用于對(duì)載體框架的驗(yàn)算，而不能用于計(jì)算載體框架上某點(diǎn)（例如應(yīng)力集中點(diǎn)）的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)載體框架進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要計(jì)算模型簡化得當(dāng)，受力約束處理合理，就能得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形分布情況［3］，這些是傳統(tǒng)計(jì)算方法難以辦到的。

1.3 載體框架有限元分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究，在機(jī)械制造、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［4］。利用ANSYS進(jìn)行零部件的結(jié)構(gòu)分析是ANSYS應(yīng)用最廣的方面，本文主要利用ANSYS軟件對(duì)載體框架的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

應(yīng)用有限元法對(duì)載體框架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，必須首先合理地確定計(jì)算模型。ANSYS自身的幾何造型能力有限，需借助其它大型造型軟件建模。本文采用Pro/E軟件建立載體框架三維模型，由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)適當(dāng)簡化，忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大的小孔、小圓角、小倒角［5］。載體框架三維模型建立后，導(dǎo)入 ANSYS，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，采用20節(jié)點(diǎn)Solidl86單元?jiǎng)澐譃樗拿骟w和六面體混合網(wǎng)格，單元總數(shù)為575 947，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 533 402。載體框架的有限元模型如圖5所示。

載體框架材料為1Cr18Ni9Ti，其彈性模量為205 GPa,泊松比為0.3，材料密度為7 850 kg/m3。計(jì)算載體框架的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是：將兩個(gè)起吊環(huán)固定，載荷按實(shí)際受力情況施加于載體框架上。經(jīng)ANSYS計(jì)算，載體框架的應(yīng)力云圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。

▲圖5 載體框架有限元模型

載體框架最大等效應(yīng)力為656 MPa,主要集中在起吊點(diǎn)兩側(cè)，為應(yīng)力集中點(diǎn)，其余各處應(yīng)力均小于屈服極限。載體框架的最大變形量為8.7 mm，且變形量相對(duì)平衡。

2 載體框架的試驗(yàn)驗(yàn)證

在載體框架焊接完成并檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行載體框架加載試驗(yàn)。綜合考慮載體框架的工作負(fù)荷及安全系數(shù)，加載的最大質(zhì)量確定為8 t。加載試驗(yàn)采用逐次遞增加載方法，按 3 t、5 t、7 t、8 t逐漸加載，每次加載保持起吊狀態(tài)30 min，并進(jìn)行3次起吊沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，觀察載體框架的受力變形；試驗(yàn)后，仔細(xì)檢查焊縫，所有焊縫應(yīng)無裂紋。載體框架經(jīng)加載試驗(yàn)驗(yàn)證，強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

應(yīng)用Pro/E軟件建立了載體框架的三維模型，模型簡化后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行了靜強(qiáng)度和靜剛度的分析計(jì)算，并采用加載試驗(yàn)的方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，載體框架強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，使用安全、可靠。

▲圖6 載體框架應(yīng)力云圖

▲圖7 載體框架位移云圖

［1］ 陸蓓.深海載人潛水器耐壓球殼極限強(qiáng)度研究［J］.船舶力學(xué),2004（1）:51-58.

［2］ 孫訓(xùn)方,方孝淑.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社,1994.

［3］ 邱勇，胡曉兵，趙彥植.基于ANSYS的柔輪應(yīng)力與應(yīng)變的有限元分析［J］.機(jī)械制造,2012,50（8）:14-16.

［4］ 劉興龍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2013（2）:60-61.

［5］ 任軍輝.基于ANSYS的轉(zhuǎn)臺(tái)強(qiáng)度與模態(tài)分析［J］.機(jī)械制造,2010，48（9）:19-21.