小型水下机器人本体结构设计及水动力仿真

摘要

目前，人类正面临着人口、资源和环境三大难题。水下机器人(RemotelyOperatedVehicle)，是一种工作于水下的作业设备，能潜入水中代替人完成某些操作。水下资源丰富，越来越多的ROV用来资源探测和水下作业。传统的ROV的航向控制都是在各个方向安装几个螺旋桨推进器，要安装这些螺旋桨推进器一般需要使用开架式结构，并且开架式ROV要想提速很难，螺旋桨推进器则大大增加了ROV本体的重量和航行阻力。为了尽量减小ROV体积和阻力，提高观测型ROV的机动性灵活性，基于这个目的，本文设计一个机动性强的水底观测（探测）型ROV，为此，ROV应该设计为封闭式的具有水动力性能优良的流线型外形，参考船舶上使用水动力优良的舵来控制方向，本文采用2个水平翼和一个垂直舵来控制ROV的运动方向，因此，这样的ROV机动性将大大增强，解决了传统开架式ROV提速难的问题。
　　 本文根据课题的任务要求，设计一个ROV样机。涉及的部分主要是本体结构设计，包括有耐压壳体设计、密封设计、摄像机角度调节装置设计、整体装配设计以及结构的材料选择。ROV要确保其机动性，必须尽量减小它的航行阻力，而优良的壳体外型是降低阻力最有效的方法。本文基于myring提出的分段设计思想，综合考虑ROV空间需求，以设定可调参数（型值点）的方式，得出一款满足ROV布置要求且流体性能优良的外型，并运用Fluent软件分析了壳体直航阻力参数，为主推进电机选型提供了依据。此外鉴于ROV工作环境复杂，耐压壳体的壁厚设计对于整个ROV的安全起到至关重要的作用，本文对于耐压壳体壁厚进行了详细的设计，确定壁厚以后运用Simulation软件，对其进行静力分析，得出最大工作水深时的安全系数符合规范要求，从而预测了耐压壳体的安全性及ROV设计的可靠性。密封是ROV的关键问题，本文采用了结构简单使用极其广泛的O型圈密封，尤其对动密封进行了详细设计。为了最大程度上降低ROV航行阻力，由于传统的ROV一般使用多个螺旋桨推进器（也称为附体），这些附体大大增加了ROV的航行阻力，因此本文参考船舶上使用的舵翼结构，采用阻力较小的舵翼来控制ROV的运动方向。对本文采用的NACA0015舵翼进行了水动力性能的仿真分析，从而得到了该舵翼在不同速度不同攻角下的升阻力，为今后ROV的运动控制进行预报。并计算了舵翼回转轴的最大扭转力矩，为舵机选型提供了依据。
　　 最终，本文设计的ROV具有流线型外形，其水动力性能优良，航向控制使用舵翼结构，尽可能减小了ROV航行阻力。在港口观测、海洋科考方面具有广阔的应用前景。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 水下机器人类型

1．3 水下机器人本体外型国内外研究现状

1．3．1 开架式水下机器人的国内外研究现状

1．3．2 流线型结构的水下机器人国内外研究现状

1．4 流线型ROV耐压壳体方案

1．4．1 耐压壳体形状分类及特点

1．4．2 耐压壳体适用工况

1．5 ROV应用现状

1．6 水下机器人发展趋势

1．7 本文课题研究目标

1．8 本文研究内容及安排

1．9 本章小结

2 水下机器人外型优化设计及阻力计算

2．1 描述外型方程常用方法

2．1．1 拟合法

2．1．2 推导法

2．2 外型方案选型

2．2．1 几种常见的回转体线型

2．2．2 方案选型

2．3 Myring线型方程的表达式

2．4 外型参数的确定

2．4．1 首部锐度因子ｎ值的确定

2．4．2 尾部离去角θ的确定

2．5 主体直航阻力计算

2．5．1 Fluent前处理器软件Gambit介绍

2．5．2 Fluent软件简介

2．5．3 控制方程与湍流模型

2．5．4 边界条件和初始条件

2．5．5 Gambit网格划分

2．5．6 阻力成分分析

2．5．7 Fluent主要参数设置

2．5．8 几种模型计算结果

2．5．9 外型阻力计算结果分析

2．6 本章小结

3 水下机器人舵翼水动力仿真

3．1 NACA翼型概述

3．2 舵翼在SolidWorks中的造型

3．3 舵翼绕流数值模拟

3．3．1 数学模型

3．3．2 定义边界条件

3．3．3 舵翼在Gambit中的网格划分

3．3．4 Fluent数值计算主要过程

3．4 计算结果分析

3．4．1 不同攻角时舵翼表面的压力分布云图

3．4．2 不同攻角时流场压力系数分布图

3．4．3 不同攻角时流场的速度矢量图

3．4．4 不同来流速度时的压力系数和速度分布图

3．4．5 舵翼升阻力随攻角变化结果分析

3．4．6 舵翼升阻力随来流速度变化结果分析

3．4．7 扭矩系数随攻角变化结果分析

3．5 本章小结

4 水下机器人本体结构设计

4．1 耐压结构类型的确定

4．2 壳体结构材料的确定

4．2．1 首部、中间体材料的确定

4．2．2 尾部材料的确定

4．3 强度破坏理论

4．3．1 失稳的概念

4．3．2 失稳形式

4．3．3 不同外压圆筒临界压力的计算公式

4．3．4 外压壳体强度校核判别方法

4．4 壁厚设计

4．4．1 安全系数S的确定

4．4．2 初始厚度估算

4．5 有限元仿真模拟

4．5．1 Simulation功能介绍

4．5．2 中间体仿真过程及结果

4．5．3 结果分析

4．6 相机角度调节装置

4．7 密封设计

4．7．1 密封概述

4．7．2 密封方式分类

4．7．3 O型密封方式的选型依据

4．7．4 动密封结构的确定

4．8 主推进电机的确定

4．9 螺旋桨的选型

4．10 总装配图的设计

4．11 重心、浮心计算

4．11．1 重心计算

4．11．2 浮心计算

4．11．3 重心与浮心的调整

4．12 本章小结

5 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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