基于CEL的海底攻泥机器人运动的有限元分析

摘要

传统打捞作业普遍采用浮筒打捞法。在打捞作业中，需要潜水员在水下手动操作攻泥器来攻打出千斤洞。若打捞作业在深水区及污染严重的港湾、航道中进行，作业困难并有危险。由此，需要开发设计能自动攻泥作业以完成穿缆任务的攻泥机器人代替潜水员进行海底穿缆作业。为了完成穿缆作业，在土质满足攻泥机器人的工作条件下，需要相应土质下攻泥机器人的运动参数以设计其运动轨迹并编写自动攻泥运动程序。攻泥机器人是在土体对其作用的支撑力和阻力的协调作用下驱动前进的，攻泥机器人的运动参数是两者共同作用的结果。那么，研究攻泥机器人的工作条件和不同土质下的运动参数以及攻泥机器人的运动机理是此文的主要任务。攻泥机器人直行攻泥运动由连续多个攻泥步组成，在每个攻泥步，土体产生较大变形以致破坏。此文基于 CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian Method）大变形有限元法模拟攻泥机器人在饱和海洋粘土中的直行攻泥运动和转动攻泥运动，土体为理想弹塑性体，采用Treseca准则、相关流动法则，通过欧拉-拉格朗日耦合算法实现攻泥机器人与土体相互作用和三维空间中土体大变形破坏的模拟计算，通过 ABAQUS中的连接单元实现攻泥机器人的伸缩运动。模拟结果表明：对于确定尺寸的攻泥机器人，其使用条件与土体的不排水强度及刚度和攻泥机器人的运动方向有关；攻泥机器人的攻泥平均速度和平均加速度可用作主要设计参数；收尾步骤，攻泥机器人的受力情况对运行速度大小起到决定性作用；支撑A受到的端部支撑力和侧面支撑力对转动攻泥运动影响较大。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外水下仿生攻泥机器人的研究现状

1.3 水下仿生攻泥机器人课题的研究意义及研究内容

第二章 数值计算理论

2.1 有限元方法简介

2.2有限元法的基本理论

2.3 耦合欧拉-拉格朗日法

2.4 本章小结

第三章 海底攻泥机器人工作原理及有限元计算分析

3.1 攻泥机器人工作原理

3.2攻泥运动有限元模型

3.3 海底攻泥机器人直行攻泥运动数值计算分析

3.4 海底攻泥机器人转动攻泥数值结果分析

3.5 本章小结

第四章 土体强度随深度变化对攻泥运动的影响

4.1 竖直向下直行攻泥计算结果

4.2 竖直向下转动攻泥计算结果

4.3 本章小结

第五章 尺寸效应研究

5.1 45度斜向下直行攻泥运动

5.2 45度斜向下转动攻泥运动

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

发表的论文

参与的科研项目

附录

致谢