趙嘉媛，李強(qiáng)兵

（1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北宜昌443002；2.中國船舶重工集團(tuán)第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

基于ANSYS的迎流裝配小車設(shè)計(jì)與分析

趙嘉媛1，李強(qiáng)兵2

（1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北宜昌443002；2.中國船舶重工集團(tuán)第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

隨著水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對各艙段裝配精度要求也隨之提高，在大型、重型水下機(jī)器人的組裝過程中，各密封艙段往往需要由各種多自由度的裝配臺車支撐，從而完成裝配。迎流裝配小車是水下航行器裝配臺架的重要組成部分，作為迎流耐壓殼體的主要承力結(jié)構(gòu)件，其承受了較大載荷，必須對其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。由于該迎流段裝配小車結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，傳統(tǒng)理論計(jì)算準(zhǔn)確性較低，因此，應(yīng)用有限元分析軟件對該小車進(jìn)行了分析。在設(shè)計(jì)時(shí)，對裝配小車進(jìn)行了有限元建模、加載、強(qiáng)度分析及剛度分析，獲得了迎流段裝配小車的應(yīng)力情況和變形情況，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。

ANSYS；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；裝配小車

隨著海洋資源開發(fā)的不斷深入，目前，水下航行器，特別是無人水下航行器（Unnamed Underwater Vehicle，UUV）越來越商業(yè)化、市場化，UUV可以承擔(dān)的任務(wù)也越來越多，水下機(jī)器人逐漸向大型化、重型化、大深度發(fā)展。

迎流裝配小車是水下航行器裝配調(diào)試臺架的重要組成部分。為了滿足迎流耐壓殼體外形的共形需要和裝配需求，迎流裝配小車設(shè)計(jì)有升降調(diào)節(jié)、俯仰調(diào)節(jié)、徑向調(diào)節(jié)及沿軸向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常規(guī)情況下，為了保證零部件能安全、可靠，設(shè)計(jì)人員根據(jù)確定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（比如強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、壽命準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則等）使用傳統(tǒng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。但對于迎流裝配小車等較為大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組件，傳統(tǒng)理論分析的準(zhǔn)確性較低、計(jì)算過程煩瑣，導(dǎo)致計(jì)算耗時(shí)較長，有時(shí)由于結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜甚至無法進(jìn)行傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析，目前，一般采用有限元分析軟件完成設(shè)計(jì)分析過程。

本文采用有限元分析軟件ANSYS，通過建立合理的有限元模型、加載、強(qiáng)度分析和剛度分析，獲得迎流裝配小車的應(yīng)力情況和變形情況，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

1 迎流裝配小車設(shè)計(jì)

迎流耐壓殼體模型如圖1所示，殼體為加肋薄壁結(jié)構(gòu)，迎流段臺車主要由升降支頂、俯仰支頂、徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、車輪底座及箍帶等組成。迎流裝配小車前端單獨(dú)設(shè)置有升降機(jī)構(gòu)（俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為梯形牙絲桿螺母副傳動(dòng)），可以使迎流段實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，三維模型如圖3所示。

2 迎流裝配小車強(qiáng)度分析

艏部迎流段臺車按承載500 kg設(shè)計(jì)，其有限元分析模型如圖4所示。按兩支頂均承載500 kg加載，RP-3、RP-4為被試品重心位置，RP-1、RP-2為支頂受力點(diǎn)，其有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖1 迎流耐壓殼體模型

圖2 迎流裝配小車簡圖模型

在有限元計(jì)算中取單位量級為N、m、Pa、kg，對艏部迎流段臺車進(jìn)行計(jì)算分析，考核支頂、車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如圖5、圖6所示。由圖5可知，支頂最大應(yīng)力為127 MPa，為建模時(shí)形成的應(yīng)力集中點(diǎn)，整個(gè)支頂應(yīng)力為85～95 MPa，按普通鋼Q235屈服應(yīng)力235 MPa計(jì)算，安全系數(shù)大于2，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 迎流裝配小車三維模型

圖4 迎流裝配小車有限元計(jì)算模型

由圖6可知，車架最大應(yīng)力小于90 MPa，按普通鋼Q235屈服應(yīng)力235 MPa計(jì)算，安全系數(shù)大于2，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 迎流裝配小車車架應(yīng)力

3 迎流裝配小車剛度分析

由圖7可知，支頂最大變形為2.8 mm，發(fā)生在俯仰支頂支輪處，而俯仰支頂實(shí)際受載時(shí)遠(yuǎn)小于500 kg，因此，俯仰支頂實(shí)際變形遠(yuǎn)小于2.8 mm，滿足剛度使用要求。

圖7 迎流裝配小車支頂變形

圖8 迎流裝配小車車架變形

由圖8可知，車架最大變形小于1.3 mm，發(fā)生在俯仰支頂支撐處，而俯仰支頂實(shí)際受載時(shí)遠(yuǎn)小于500 kg，因此，實(shí)際變形遠(yuǎn)小于1.3 mm，滿足剛度使用要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種迎流裝配小車，解決迎流裝配小車設(shè)計(jì)有升降調(diào)節(jié)、俯仰調(diào)節(jié)、徑向調(diào)節(jié)及沿軸向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等功能需求，為水下機(jī)器人裝配提供了多自由度調(diào)整、精確裝配的裝配臺架。運(yùn)用Creo軟件建立了導(dǎo)軌平臺的三維模型，模型簡化后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行了應(yīng)力分析和剛度分析。本文裝配小車已在某水下機(jī)器人裝配臺架中實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)加載試驗(yàn)和使用驗(yàn)證，其強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計(jì)要求，使用安全可靠。

［1］方勇，熊傳志.基于ANSYS的迎流段耐壓殼體強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（04）.

［2］許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［3］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2003.

〔編輯：張思楠〕

TP319.7

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.106

2095－6835（2017）16－0106－02