水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）
水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）,水下,自主,航行,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,設(shè)計(jì),說明書,仿單
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
開題報(bào)告
題 目_水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)_
一、選題依據(jù)
課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值
課題來源、選題依據(jù)和背景情況：
產(chǎn)品的發(fā)展離不開技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的支持，水下自主航行器（AUV）在二十世紀(jì)六十年代發(fā)展初期由于其體積、效率、造價(jià)等與同時(shí)期的有纜無人水下航行器（UUV）相差較大，一度低迷，伴隨著新興技術(shù)的發(fā)展，自航行器的發(fā)展面貌煥然一新。參考國(guó)外的的水下自航行器發(fā)展經(jīng)驗(yàn)以及多種機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，水下自航行器的發(fā)展必然離不開可交換性、通用化、模塊化的發(fā)展，研究水下自航行器的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不局限于某種具體的傳感器搭載的水下自主航行器的研究是必要并且具有重大意義的。
目前國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)于水下自主航行器的單獨(dú)模塊研究，研究模塊化的核心是將產(chǎn)品以功能劃分并且進(jìn)行相關(guān)研究，而水下自主航行器的本體結(jié)構(gòu)研究是研究模塊化的基礎(chǔ)，水下自主航行器帶有的其他系統(tǒng)是整體水下自主航行器模塊框架下的子模塊，子模塊的研究獨(dú)立于總模塊，但同時(shí)需要遵循總框架下的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。水下自主航行器結(jié)構(gòu)是支撐子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，研究其本體結(jié)構(gòu)就是研究總模塊。
課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值：
完成水下自主航行器的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建水下探測(cè)傳感器的運(yùn)行平臺(tái)，進(jìn)行淺水淡水域水下自主航行器本體結(jié)構(gòu)的通用化、模塊化的研究，確定在多種功能要求下的通用水下自主航行器總結(jié)構(gòu)框架的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
現(xiàn)今水下自主航行器存在的問題大多集中于通訊、能源、控制以及經(jīng)濟(jì)性，研究水下自主航行器的本體結(jié)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)，對(duì)于水下自航行器的生產(chǎn)成本以及能源問題的解決具有重大意義。
水下自主航行器總體結(jié)構(gòu)的模塊研究有利于刺激民用水下自主航行器的發(fā)展，使其復(fù)雜的系統(tǒng)分解后可以達(dá)到平行操作，子模塊都能成為一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品進(jìn)行研究，最大程度的發(fā)揮生產(chǎn)和組織的優(yōu)勢(shì)，刺激水下自主航行器商業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展。
二、文獻(xiàn)綜述
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
水下機(jī)器人在軍事以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要的作用，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下自主航行器的研究與發(fā)展給予了高度的重視。水下自航行器（AUV）自二十世紀(jì)開始發(fā)展，七十年代步入探索階段，并于八十年代進(jìn)入原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)階段，概念驗(yàn)證原型POC得到開發(fā)、檢測(cè)和應(yīng)用，這時(shí)候的AUV處于早期原始階段，體型大、效率低、造價(jià)高。這種情況持續(xù)到九十年代，水下自航行器由原型進(jìn)入樣機(jī)階段，AUV的發(fā)展與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、小型化導(dǎo)航設(shè)備、控制軟件等息息相關(guān)，九十年代眾多技術(shù)為AUV的研究提供了可行性，水下自航行器走向成熟。國(guó)內(nèi)外水下自航行器在國(guó)家的支持下持續(xù)發(fā)展。
美國(guó)的AUV技術(shù)發(fā)展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美國(guó)華盛頓大學(xué)SPURV，同時(shí)這也是世界AUV的起始。美國(guó)存在年度的大學(xué)AUV競(jìng)賽，也有年度海上“Demonstration”AUV盛會(huì)，全國(guó)十余所AUV研究前沿機(jī)構(gòu)參會(huì)。國(guó)內(nèi)擁有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品包括在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩的REMUS（圖2-1）系列、科考用的ABE（圖2-2）型號(hào)、高性能小型AUV-BPAUV（圖2-3）等。并且在國(guó)家層面具有“海軍無人潛航器計(jì)劃”等戰(zhàn)略計(jì)劃，北約也有M02015無人水下航行器發(fā)展計(jì)劃。
日本作為島國(guó)一直重視海洋的開發(fā)，是深海AUV開發(fā)的強(qiáng)國(guó)，1995年“海溝”作為當(dāng)年的世界紀(jì)錄保持者，下潛深度達(dá)到10911m，其他AUV擁有如在海洋調(diào)查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（圖2-4）等型號(hào)AUV，總體偏向民用深海開發(fā)，擁有三菱重工業(yè)公司等領(lǐng)軍公司機(jī)構(gòu)；英國(guó)較著名的有BAE系統(tǒng)公司的Talisman（圖2-5）軍用多用途AUV；韓國(guó)擁有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄羅斯也自二十世紀(jì)60年代開始研發(fā)，擁有如軍用MT-88號(hào)、MIR1、MIR2（圖2-6）等多個(gè)型號(hào)的AUV；挪威擁有自身的軍用AUV發(fā)展計(jì)劃，并且擁有HUGIN（圖2-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在執(zhí)行北冰洋海底光纜鋪設(shè)時(shí)大放異彩，同時(shí)擁有RAY、Sunfish等AUV；澳大利亞擁有“海龜”用以水下研究以及“瓦亞巴”等AUV。
中國(guó)AUV的發(fā)展圍繞兩核心，一是中科院沈陽自動(dòng)化研究所、中船重工702所、中科院聲學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)共同研發(fā)的探索者號(hào)，以及中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)研究協(xié)會(huì)支持的中科院沈陽自動(dòng)化研究所以及俄羅斯合作的“CR-01”（圖2-8）和“CR-02”AUV；二是以哈爾濱工程大學(xué)、702所、709所、華中理工大學(xué)合作的“智水”系列。同時(shí)國(guó)家層面具有“863”計(jì)劃。
AUV目前向著深海遠(yuǎn)航、導(dǎo)航通訊一體化、隱蔽性、小型化、智能化、靈活的機(jī)動(dòng)性以及多使命的重構(gòu)性、多AUV協(xié)同方向發(fā)展。軍用AUV的發(fā)展是國(guó)家國(guó)防力量的重要保證，目前主要在九個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展：情報(bào)/監(jiān)視/偵察能力（ISR）、水雷對(duì)抗能力（MCM）、反潛戰(zhàn)能力（ASW）、檢測(cè)/識(shí)別能力（ID）、海洋學(xué)能力、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能力（CN3）、有效載荷發(fā)送能力、信息戰(zhàn)能力（IO）、時(shí)敏打擊能力（TCS）。
圖 2- 1 REMUS 圖 2- 2 ABE
圖 2- 3 BPAUV 圖 2- 4 PTEROA150
圖 2- 5 Talisman 圖 2- 6 MIR2
圖 2- 7 HUGIN
圖 2- 8 CR-01
查閱的主要文獻(xiàn)
[1] 馬偉峰，胡震. AUV的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì). 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心.2008,6.
[2] 高富東. 復(fù)雜海況下新型水下航行器設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院.2012,3.
[3] 王剛. 基于多傳感器的 AUV 控制系統(tǒng). 哈爾濱工程大學(xué).2013,3.
[4] 宋壽山. 基于多推進(jìn)器的 AUV建模與控制器設(shè)計(jì). 西北工業(yè)大學(xué).2006,3.
[5] 楊峻巍. 水下航行器導(dǎo)航及數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究. 哈爾濱工程大學(xué).2012,6.
[6] 吳乃龍. 小型 AUV 動(dòng)力學(xué)建模及推力控制研究.中國(guó)海洋大學(xué).2012,6.
[7] 溫秉權(quán). 小型淺水域水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.天津大學(xué).2005,6.
[8] 孫麗. 自治水下機(jī)器人(AUV)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析.中國(guó)海洋大學(xué).2011,6.
[9] 趙濤，劉明雍，周良榮. 自主水下航行器的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn). 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院.2010,6.
[10] S. N. Shome·S. Nandy·D. Pal·S. K.Das·S.R.K.Vadali·Jhankar Basu·Sukamal Ghosh. Development of Modular Shallow Water AUV:Issues & Trial Results. J. Inst. Eng. India Ser. C (July–September 2012) 93(3):217–228
[11] Kana Kawano · Tomoaki Shimozawa · Shinichi Sagara. A master–slave control system for a semi-autonomous underwater vehicle-manipulator system. Artif Life Robotics (2012) 16:465–468
[12] S.K. Das, S.N. Shome, S. Nandy, D. Pal, in Modeling a Hybrid Reactive-Deliberative Architecture Towards Realizing Overall Dynamic Behavior of an AUV. International Conference on Computational Science, Procedia Computer Science, May 2010,vol. 1(1), pp. 259–268
[13] Maheshi H, Yuh J, Lakshmi R (1991) A coordinated control of an underwater vehicle and robotic manipulator. J Robotic Syst 8:339–370
三、研究?jī)?nèi)容
1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）
學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路：
本課題研究水下自主航行器的結(jié)構(gòu)，AUV具有多個(gè)系統(tǒng)共同工作，包括推進(jìn)器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、螺旋槳推進(jìn)器，各個(gè)系統(tǒng)具有多種選擇方案，例如推進(jìn)器系統(tǒng)使用螺旋槳推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器或者矢量推進(jìn)器等。對(duì)于水下自主航行器以具體功能為單位進(jìn)行分析，合理安排水下自主航行器內(nèi)外空間；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)不同方案組合選優(yōu)創(chuàng)建本體結(jié)構(gòu)模塊劃分與設(shè)計(jì)。利用相關(guān)軟件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，淺水淡水域不同區(qū)域劃分，創(chuàng)建面向不同水域的相應(yīng)模型。
主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）：
本課題研究水下自主航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用機(jī)械學(xué)的知識(shí)擬采取多種方案取優(yōu)，并通過ansys等相關(guān)軟件分析AUV的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。主要設(shè)計(jì)水下自主航行器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于水下自主航行器的結(jié)構(gòu)形體設(shè)計(jì)，研究外部形態(tài)設(shè)計(jì)，多重考慮水壓等因素；設(shè)計(jì)內(nèi)部空間劃分，為水下自主航行器搭載其他系統(tǒng)預(yù)留空間；考慮其他水下自主航行器可能遇到的阻礙與困難，總體設(shè)計(jì)，研究在淺水域AUV中的通用水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
擬解決的關(guān)鍵問題：
（1）耐壓艙壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（2）關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核。
（3）AUV結(jié)構(gòu)的通用化設(shè)計(jì)。
2．?dāng)M采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析
擬采取的研究方法：
1、首先對(duì)水下自主航行器預(yù)研，確定主要的研究對(duì)象以及擬解決的關(guān)鍵問題；
2、對(duì)于預(yù)研結(jié)果評(píng)估，滿足要求則對(duì)于預(yù)研結(jié)果研究，反之返回第一步；
3、給出研究結(jié)果；
4、評(píng)估研究結(jié)果，滿足要求則進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，深入研究，反之返回第四步；
5、在目標(biāo)結(jié)果上設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，給出性能評(píng)價(jià)結(jié)果。
擬采用的技術(shù)路線和實(shí)施方案：
本課題的研究關(guān)鍵在于對(duì)于水下自主航行器的分功能模塊研究，以及使用優(yōu)化方法找出最優(yōu)的普適解，再對(duì)于取得的最優(yōu)解進(jìn)行相關(guān)校核，包括強(qiáng)度、剛度、特殊水域的特殊性能要求校核等。
1、分析現(xiàn)有自主水下航行器現(xiàn)有功能以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)；
2、對(duì)于分析的結(jié)果分門別類；
3、對(duì)于水下自主航行器分類進(jìn)行窮舉，列出不同組合；
4、分析各組合優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案；
5、利用相關(guān)軟件對(duì)于選出的最優(yōu)方案進(jìn)行校核。
四、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排
起止時(shí)間
主要內(nèi)容
預(yù)期目標(biāo)
2015.3.9-3.20
2015.3.21-3.31
2015.4.1-4.10
2015.4.11-4.25
2015.4.26-5.15
2015.5.16-5.26
分析現(xiàn)有自主水下航行器現(xiàn)有功能以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)并分門別類。
對(duì)于水下自主航行器分類進(jìn)行窮舉，列出不同組合。
完成相應(yīng)二維圖紙、三維造型的設(shè)計(jì)。
整體校核，軟件模擬分析，關(guān)鍵部位校核等。
修改完善設(shè)計(jì)資料，完成論文。
準(zhǔn)備論文答辯。
初步確定課題研究方法，完成開題報(bào)告
分析找到最優(yōu)方案
建立三維模型，繪制零件圖和裝配圖
校核分析結(jié)果
完成畢業(yè)論文
完成答辯PPT
五、審核意見
導(dǎo)師意見
導(dǎo)師簽字:
年 月 日
審核小組意見
審核小組成員簽字：
年 月 日
注：1、表格不夠可加附頁。
2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級(jí)職稱的教師組成；必要時(shí)可召集開題報(bào)告會(huì)。
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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
水下自主航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
海洋是人類尚未完全開發(fā)的巨大寶庫(kù)，有效的利用海洋及湖泊的資源對(duì)于人類的生存和發(fā)展至關(guān)重要。水下機(jī)器人在水下資源的開發(fā)與探查、民用方面搜救與科研、軍事偵察與對(duì)抗等方面都是非常重要的組成部分。水下機(jī)器人由于其獨(dú)特的水下環(huán)境適應(yīng)性、相較于人工的方便性等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的熱門研究領(lǐng)域。
本文根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，設(shè)定水下自主航行器的技術(shù)指標(biāo)，針對(duì)水下自主航行器分層設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行水下自主航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水下自主航行器的耐壓殼體設(shè)計(jì)，其中包括耐壓殼體的材料選用、計(jì)算校核、密封設(shè)計(jì)以及觀察窗的設(shè)計(jì)；水下自主航行器推進(jìn)裝置與舵的設(shè)計(jì)，其中包括推進(jìn)器排列設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的選用、系統(tǒng)與舵的設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)；水下自主航行器的防腐蝕設(shè)計(jì)。
對(duì)于水下自主航行器具體的設(shè)計(jì)從分層設(shè)計(jì)入手，由上至下進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別采用具體設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、預(yù)留空間等設(shè)計(jì)方法。初步設(shè)計(jì)的具體方法為：判別設(shè)計(jì)要求之后，結(jié)合前人所做的數(shù)據(jù)分析，從多種設(shè)計(jì)方案中選用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的研究，隨后選用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步的校核，完成初步的設(shè)計(jì)。
為了更好的研究AUV的水下性能，本文選用solidworks的SimulationXpress功能對(duì)AUV進(jìn)行靜態(tài)分析，主要對(duì)于AUV的耐壓殼體、舵進(jìn)行校核，就壓力、變形以及安全系數(shù)三個(gè)大體方面進(jìn)行分析。通過對(duì)于耐壓殼體、舵整體施加壓力，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行靜態(tài)分析。
對(duì)設(shè)計(jì)完成的AUV進(jìn)行基于Ansys Workbench三維動(dòng)態(tài)分析，模擬AUV附近流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件，分析得到結(jié)果，將分析得到的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值相比較，綜合考慮速度與壓力等因素，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全可行性。設(shè)計(jì)合理則采用，反之修改設(shè)計(jì)，最終完成AUV的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。
關(guān)鍵詞：自主水下航行器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；仿真模擬
Abstract
The ocean is a huge untapped treasure trove of humanity, including many freshwater lakes deep water, efficient use of resources of the ocean and lakes for human survival and development is essential. Underwater robots in development and exploration, the civilian aspects of search and rescue and scientific research, the military reconnaissance and underwater resources and other confrontation is very important part, because of its unique underwater robots underwater environmental adaptability, compared to artificial convenience and other advantages, has become a hot research field in today's society.
According to the design plan, setting AUV technical indicators, the AUV hierarchical design, mainly for AUV structural design, some involved are AUV withstand voltage housing design, including pressure hull material selection, calculation check, seal design and the design of the observation window; AUV propulsion device and rudder design, including the choice of propeller arrangement design, propulsion, system and rudder design, seal design; corrosion design the autonomous underwater navigation.
For AUV specific design layered design from the start, top-down design, respectively specific design, concept design, space for other design methods. Specific methods for the preliminary design: After determining the design requirements, combined with previous data analysis done, the choice of the optimal design for further research from a variety of designs, and then make a preliminary selection of empirical formulas check, complete the preliminary design.
In order to better study AUV underwater performance, paper selects the SimulationXpress function solidworks AUV static analysis, mainly for AUV's pressure hull, rudder be checked, conducted on pressure, deformation and safety factor of three in general terms analysis. Through the pressure hull, the overall pressure on the rudder, mesh, static analysis.
AUV completed the design based Ansys Workbench three-dimensional dynamic analysis, simulation of flow field around AUV motion, mesh, set the boundary conditions, analyze the results obtained, will analyze the results of the empirical formula calculated values obtained are compared, considering speed and pressure and other factors, to verify the feasibility of the design safety. Rational design is used, otherwise modify the design, the final completion of the overall structure of AUV design.
Keywords: Autonomous Underwater Vehicle; structural design; FiniteElement Analysis; simulation
目錄
1 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 水下機(jī)器人概述 2
1.2.1 水下機(jī)器人分類及特征 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3課題主要內(nèi)容 5
1.3.1 研究目的 5
1.3.2 研究?jī)?nèi)容 5
1.3.3擬解決的關(guān)鍵問題 5
1.3.4 研究方法 6
2 AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 AUV設(shè)計(jì)參數(shù)及分層設(shè)計(jì) 7
2.1.1 AUV設(shè)計(jì)參數(shù) 7
2.1.2 AUV分層設(shè)計(jì) 8
2.2 AUV耐壓殼的設(shè)計(jì) 8
2.2.1 耐壓殼的整體形狀設(shè)計(jì) 8
2.2.2 耐壓殼體內(nèi)部空間劃分設(shè)計(jì) 9
2.2.3 耐壓殼體的材料 10
2.2.4 耐壓殼體的計(jì)算 10
2.2.5 耐壓殼體的密封 11
2.3 觀察窗的設(shè)計(jì) 12
2.4 本章小結(jié) 13
3 AUV分層系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14
3.1 AUV推進(jìn)裝置與舵 14
3.1.1 推進(jìn)器的排列設(shè)計(jì) 14
3.1.2 推進(jìn)器的選用 15
3.1.3 推進(jìn)系統(tǒng)與舵的設(shè)計(jì) 16
3.1.4 AUV推進(jìn)系統(tǒng)與舵的密封設(shè)計(jì) 17
3.2 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18
3.3 AUV防腐蝕 19
3.4 本章小結(jié) 19
4 關(guān)鍵部分校核與分析 21
4.1 關(guān)鍵部位的校核 21
4.1.1 電機(jī)與舵機(jī)連接軸的校核 21
4.1.2 穩(wěn)心的校核 22
4.2 基于solidworks的靜態(tài)分析 22
4.2.1電機(jī)與舵機(jī)連接軸的分析 22
4.2.2 AUV耐壓殼主體分析 26
4.2.3 AUV舵的分析 29
4.3 基于Ansys Workbench的AUV動(dòng)態(tài)分析 32
4.3.1 網(wǎng)格劃分 32
4.3.2 邊界條件的設(shè)定 33
4.3.3 分析結(jié)果 33
4.4 本章小結(jié) 36
全文展望與總結(jié) 37
參考文獻(xiàn) 39
致謝 41
V
致謝
1 緒論
1.1 研究背景及意義
從人類賴以生存的資源出發(fā)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加導(dǎo)致人類對(duì)于資源的需求與日俱增，而海洋覆蓋了地球約百分之71的面積。海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，是一片尚未完全開發(fā)的寶地，世界各國(guó)對(duì)于海洋資源的爭(zhēng)奪與開發(fā)已經(jīng)愈演愈烈，而開發(fā)海洋需要各種海洋設(shè)備的支撐。
海洋具有豐富的資源，海洋生物可以食用、藥用、科研、娛樂觀賞與提取生物能等；海洋潮汐、溫差等物理資源可以用于發(fā)電；海洋中的化學(xué)資源，例如海水中的淡水、痕量元素（金、鈾、氘、溴、碘、鎂、鉀等）、化合物（食鹽、芒硝、石膏、重水、鹵水等）等；海洋中的礦物資源（錳核、石油、天然氣、礦砂、底砂等）；以及海洋的空間資源等[1]。
海洋的競(jìng)爭(zhēng)是新一輪的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，開發(fā)海洋需要高技術(shù)手段，對(duì)于海洋的開發(fā)與保護(hù)是維護(hù)可持續(xù)發(fā)展與國(guó)家安全的必然要求。由于人的潛水深度有限，水下機(jī)器人成為代替人類進(jìn)行水下的作業(yè)的重要工具，目前開發(fā)海洋的工作離不開水下機(jī)器人的發(fā)展。
從民用方面出發(fā)，水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為安全搜救、管道檢查、科研教學(xué)、水下娛樂、能源產(chǎn)業(yè)、考古、漁業(yè)等方面提供了科技的支持，使得安全檢測(cè)工作、水下拆裝工作、走私物品檢測(cè)、水下目標(biāo)觀察、水下證據(jù)搜尋、海底打撈、海洋考察、水下考古、深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖等工作能夠順利展開。
從軍事方面出發(fā)，21世紀(jì)的海上力量離不開水下機(jī)器人的發(fā)展，在9個(gè)重點(diǎn)的方面：情報(bào)/監(jiān)視/偵察（ISR）、水雷對(duì)抗（MCM）、反潛戰(zhàn)（ASW）、檢測(cè)/識(shí)別（ID）、海洋學(xué)、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（CN3）、有效載荷發(fā)送、信息戰(zhàn)（IO）、時(shí)敏打擊（TCS），我們都需要依賴水下機(jī)器人的高技術(shù)力量。
目前水下機(jī)器人向著深海遠(yuǎn)程、導(dǎo)航通訊一體化、隱蔽性、小型化、智能化、靈活的機(jī)動(dòng)性和多使命的重構(gòu)性、多AUV協(xié)調(diào)工作等方面發(fā)展。
1.2 水下機(jī)器人概述
1.2.1 水下機(jī)器人分類及特征
水下機(jī)器人可以粗略的分為兩類，一類為載人的有人潛器，例如我國(guó)的“蛟龍?zhí)枴?，另一類為無人潛器。無人潛器可以分為有纜潛器與無纜潛器，有纜潛器可由岸基或者母船供能運(yùn)行，但是無法離開岸基或者母船太遠(yuǎn)，同時(shí)，纜線也是制約有纜潛器的關(guān)鍵。有纜潛器可分為遙控型和拽航型，遙控型又可分為海中浮游型與海底行走型，拽航型也可分為海中拽航型與海底拽航型；無纜潛器可分為監(jiān)控型與完全自主型，完全自住型分為智能型與預(yù)編程型兩種。
另外按照用途、運(yùn)動(dòng)方式、控制方式等也可將水下機(jī)器人劃分為不同種類，在此不一一敘述。
1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
水下機(jī)器人在軍事以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要的作用，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下自主航行器的研究與發(fā)展給予了高度的重視。水下自主航行器（AUV）自二十世紀(jì)開始發(fā)展于七十年代步入發(fā)展探索階段，并于八十年代進(jìn)入原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)階段，概念驗(yàn)證原型POC得到開發(fā)、檢測(cè)和應(yīng)用，這時(shí)候的AUV處于初時(shí)原始階段，體型臃腫、效率遲緩、造價(jià)昂貴。這種情況持續(xù)到九十年代，其發(fā)展由原型進(jìn)入樣機(jī)階段，AUV的發(fā)展與微電子科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自主智能科技、小型化航線控制設(shè)備、控制科技等息息相關(guān)，九十年代眾多技術(shù)為AUV的發(fā)展奠定了科技支持促進(jìn)其走向成熟。世界范圍的自主航行器在國(guó)家支持下持續(xù)進(jìn)步。
美國(guó)的AUV技術(shù)發(fā)展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美國(guó)華盛頓大學(xué)SPURV，同時(shí)這也是世界AUV的起始。美國(guó)存在年度的大學(xué)AUV競(jìng)賽，也有年度海上“Demonstration”AUV盛會(huì)，全國(guó)十余所AUV研究前沿機(jī)構(gòu)參會(huì)。國(guó)內(nèi)擁有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品包括在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩的REMUS（圖1-1）系列、科考用的ABE（圖1-2）型號(hào)、高性能小型AUV-BPAUV（圖1-3）等。并且在國(guó)家層面具有“海軍無人潛航器計(jì)劃”等戰(zhàn)略計(jì)劃，北約也有M02015無人水下航行器發(fā)展計(jì)劃。
日本作為島國(guó)一直重視海洋的開發(fā)，是深海AUV開發(fā)的強(qiáng)國(guó)，1995年“海溝”作為當(dāng)年的世界紀(jì)錄保持者，下潛深度達(dá)到10911m，其他AUV擁有如在海洋調(diào)查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（圖1-4）等型號(hào)AUV，總體偏向民用深海開發(fā)，擁有三菱重工業(yè)公司等領(lǐng)軍公司機(jī)構(gòu)；UK較著名的有BAE系統(tǒng)公司的護(hù)身符（圖1-5）軍用多功能AUV；韓國(guó)擁有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄羅斯也自二十世紀(jì)60年代開始研發(fā)，擁有如軍用MT-88號(hào)、MIR1、MIR2（圖1-6）等多個(gè)型號(hào)的AUV；挪威擁有自身的軍用AUV發(fā)展計(jì)劃，并且擁有HUGIN（圖1-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在執(zhí)行北冰洋海底光纜鋪設(shè)時(shí)大放異彩，同時(shí)擁有RAY、Sunfish等AUV；AUS擁有“海龜”用以水下研究以及“Wayamba”等AUV[8]。
中國(guó)AUV的發(fā)展圍繞兩核心，一是中科院沈陽自動(dòng)化研究所、中船重工702所、中科院聲學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)共同研發(fā)的探索者號(hào)，以及中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)研究協(xié)會(huì)支持的中科院沈陽自動(dòng)化研究所以及俄羅斯合作的“CR-01”（圖1-8）和“CR-02”AUV；二是以哈爾濱工程大學(xué)、702所、709所、HUST合作的“Intelligence Water class(智水)”AUV。同時(shí)國(guó)家層面具有“863”計(jì)劃[9]。
目前AUV的發(fā)展依然存在著通信問題、能源問題、控制問題以及經(jīng)濟(jì)性問題，由于水下機(jī)器人在海洋開發(fā)以及新時(shí)代軍事對(duì)抗的需求，21世紀(jì)海上力量的發(fā)展離不開AUV的發(fā)展，深海遠(yuǎn)程、智能化等7個(gè)方向，以及情報(bào)/監(jiān)視/偵察能力（ISR）、海洋學(xué)能力等9大重點(diǎn)能力是當(dāng)代AUV發(fā)展的趨勢(shì)，以及很多研究機(jī)構(gòu)的努力方向。
圖 1-1 REMUS 圖 1-2 ABE
圖 1-3 BPAUV 圖 1-4 PTEROA150
圖 1-5 Talisman 圖 1-6 MIR2
圖 1-7 HUGIN
圖 1-8 CR-01
1.3課題主要內(nèi)容
1.3.1 研究目的
完成水下自主航行器的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建水下探測(cè)傳感器的運(yùn)行平臺(tái)，進(jìn)行淺水淡水域水下自主航行器本體結(jié)構(gòu)的通用化、模塊化的研究，確定在多種功能要求下的通用AUV總結(jié)構(gòu)框架的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
研究水下自主航行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用通用型的設(shè)計(jì)，方便控制、導(dǎo)航以及能源等模塊的加入以及拓展，為日后海洋大學(xué)的水下自主航行器的結(jié)構(gòu)研究提供參考樣本，及其他部分的研究提供搭載平臺(tái)。
1.3.2 研究?jī)?nèi)容
課題的主要研究?jī)?nèi)容為：
（1）AUV主體的具體幾何參數(shù)設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)、仿真分析。
（2）AUV推進(jìn)方式設(shè)計(jì)，確定動(dòng)力源以及傳動(dòng)方式，選用相關(guān)零部件。
（3）AUV舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式、連接方式以及AUV的運(yùn)動(dòng)控制方式。
（4）AUV觀察窗設(shè)計(jì)，傳感器艙的設(shè)計(jì)。
（5）AUV動(dòng)密封方式的研究與設(shè)計(jì)，應(yīng)用于AUV主殼體連接處，以及推進(jìn)系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)與觀察窗部位。
（6）關(guān)鍵部位的強(qiáng)度校核以及AUV整體的流體分析。
本文主要用到結(jié)構(gòu)分析、流體分析以及強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)等知識(shí)，因此采用理論分析與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合的方式研究。
1.3.3擬解決的關(guān)鍵問題
本課題研究水下自主航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用機(jī)械學(xué)的知識(shí)擬采取多種方案取優(yōu)，并通過ansys等相關(guān)軟件進(jìn)行AUV的流體分析。主要設(shè)計(jì)水下自主航行器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于水下自主航行器的結(jié)構(gòu)形體設(shè)計(jì)，研究外部形態(tài)設(shè)計(jì)，多重考慮水壓等因素；設(shè)計(jì)內(nèi)部空間劃分，為水下自主航行器搭載其他系統(tǒng)預(yù)留空間。
擬解決的關(guān)鍵問題：
（1）耐壓艙壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（2）關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核。
（3）AUV結(jié)構(gòu)的通用化設(shè)計(jì)。
1.3.4 研究方法
本課題研究AUV的結(jié)構(gòu)，該機(jī)器運(yùn)作時(shí)具有多個(gè)系統(tǒng)共同工作，包括推進(jìn)器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、螺旋槳推進(jìn)器，各個(gè)系統(tǒng)具有多種選擇方案，例如推進(jìn)器系統(tǒng)使用螺旋槳裝置、噴水裝置或者矢量裝置等。對(duì)于AUV以具體功能為單位進(jìn)行分析，合理安排設(shè)備內(nèi)外空間；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)不同方案組合選優(yōu)創(chuàng)建本體結(jié)構(gòu)模塊劃分與設(shè)計(jì)。利用相關(guān)軟件進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的校核。
2 AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 AUV設(shè)計(jì)參數(shù)及分層設(shè)計(jì)
2.1.1 AUV設(shè)計(jì)參數(shù)
本課題旨在依據(jù)項(xiàng)目說明書，設(shè)計(jì)研制一套AUV傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的搭載平臺(tái)，為日后研究AUV整體設(shè)計(jì)提供樣本以及為具有具體使命的AUV提供搭載平臺(tái)。
1. 水平航速選擇：一般淺水域AUV航速在1-5節(jié)，本文設(shè)計(jì)的AUV選用航速1.5-3.5節(jié)。
2. 運(yùn)動(dòng)自由度：設(shè)計(jì)AUV需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，在X軸上的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)；在Y軸上的升沉運(yùn)動(dòng)；繞X旋轉(zhuǎn)的橫搖運(yùn)動(dòng)；繞Y軸旋轉(zhuǎn)的縱搖運(yùn)動(dòng)；繞Z軸旋轉(zhuǎn)的擺艏運(yùn)動(dòng)。
3. 工作深度及最大下潛深度：工作水深為AUV正常作業(yè)的深度，最大下潛水深是AUV極限作業(yè)深度，可以做短時(shí)間的作業(yè)以及航行，極限水深不是破壞水深。本課題選擇作業(yè)水深20m，極限作業(yè)水深25m。
4. 航線控制方式：使用無線電波遙控以及預(yù)設(shè)程序相結(jié)合，靠近水面時(shí)使用無線電波控制，水下按照預(yù)設(shè)程序工作。
5. 整體尺寸：結(jié)合前人研究，AUV體長(zhǎng)與橫徑比在5~7范圍的流線型AUV外形結(jié)構(gòu)能在很好的削弱阻力。出于穩(wěn)定性考慮，本課題設(shè)計(jì)采取1:6比例，1.5m * Φ25cm。
6. 最大續(xù)航能力：本文AUV預(yù)計(jì)最大續(xù)航能力2h。
技術(shù)指標(biāo)表格如表2-1所示：
表2-1 AUV設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
水平航速（節(jié)）
1.5-3.5
運(yùn)動(dòng)自由度
5
工作深度及最大下潛深度（m）
20/25
航線控制方式
預(yù)設(shè)程序/無線電波
整體尺寸
1.5m*Φ25cm
最大續(xù)航時(shí)間（h）
2
2.1.2 AUV分層設(shè)計(jì)
AUV整體可依據(jù)功能劃分為7個(gè)部分，分別為推進(jìn)器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。
依據(jù)設(shè)計(jì)說明書的要求，將AUV整體結(jié)構(gòu)的7個(gè)部分劃分為4個(gè)層級(jí)，作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，優(yōu)先級(jí)依次遞減，如表2-2所示：
表2-2 AUV整體結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分
第一層級(jí)
耐壓殼的設(shè)計(jì)
第二層級(jí)
推進(jìn)器系統(tǒng)、舵的設(shè)計(jì)
第三層級(jí)
能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第四層級(jí)
控制、導(dǎo)航、傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第一層級(jí)的耐壓殼設(shè)計(jì)與第二層級(jí)的推進(jìn)器系統(tǒng)和舵的設(shè)計(jì)為主體設(shè)計(jì)，優(yōu)先完成；第三層級(jí)的能源系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，設(shè)置大體的重量以及空間；第四層級(jí)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為預(yù)留空間，由需要使用此搭載平臺(tái)者自行完成。
2.2 AUV耐壓殼的設(shè)計(jì)
2.2.1 耐壓殼的整體形狀設(shè)計(jì)
耐壓殼體的整體設(shè)計(jì)必須參照各方各面以達(dá)到任務(wù)的要求：
1. 阻力小，航行性能好；
2. 具有足夠的強(qiáng)度；
3. 便于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體布置；
4. 良好的工藝性，方便加工。
無纜水下機(jī)器人由于其沒有電纜提供能源，出于減小行動(dòng)阻力，降低能能耗的考慮，AUV通常做成流線型形體，更多的使用球形或者魚雷型。球形耐壓殼體形體其重量-排水量比較小，受力方便計(jì)算校核，但不利于整體空間安排，水下行駛較為困難；魚雷型耐壓殼體易加工制造、內(nèi)部空間利用率最高、流體運(yùn)動(dòng)阻力小，但重量-排水量比較高、內(nèi)部需要肋骨加強(qiáng)。
根據(jù)任務(wù)說明書，該AUV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于提供平臺(tái)，出于加工以及內(nèi)部空間、行程阻力考慮，采用魚雷型設(shè)計(jì)。下面對(duì)比不同魚雷外型對(duì)于AUV整體水下性能的影響，根據(jù)魚雷型的特點(diǎn)，頭尾分別選用不同的過渡形式，半圓形與流線型過渡，可將其分為四類，具體為2-1至2-4四模型形式展現(xiàn)：
圖2-1 模型一 圖2-2 模型二
圖2-3 模型三 圖2-4 模型四
據(jù)研究，模型三所示頭尾皆采用流線型的耐壓殼形體阻力最小，但需要最大的特征長(zhǎng)度，致使AUV尺寸過大；模型二所示頭尾均采用半圓形過渡雖然特征長(zhǎng)度最小，但會(huì)導(dǎo)致阻力過大；模型四的AUV形體，在特征長(zhǎng)度較大的情況下還會(huì)導(dǎo)致AUV行駛阻力較大；模型一所示的耐壓殼形體行駛阻力較小并且具有適中的特征長(zhǎng)度，選擇其作為最優(yōu)耐壓殼形體[2]。
2.2.2 耐壓殼體內(nèi)部空間劃分設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用魚雷型設(shè)計(jì)，頭部采用半圓形設(shè)計(jì)，尾部采用流線型過渡設(shè)計(jì)。AUV整體可以劃分為7個(gè)部分，考慮需要保證AUV的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保持一定的穩(wěn)心高度，重心以及浮心需在同一垂直位置且浮心高于重心7cm以上?？紤]AUV各部分的具體功能以及運(yùn)作方式，初步設(shè)計(jì)AUV的耐壓殼體內(nèi)部劃分如下圖2-5所示：
傳感器艙
艙體1
艙體2
艙體3
舵機(jī)艙
圖 2-5 耐壓殼體內(nèi)部區(qū)域劃分
初步設(shè)計(jì)為傳感器以及觀察窗安裝于傳感器艙與艙體1前段，艙體1與艙體2部分位置安裝控制系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)以及前舵機(jī)，艙體3用于安裝能源系統(tǒng)與部分推進(jìn)器系統(tǒng)，舵機(jī)艙用于安裝后舵機(jī)與部分推進(jìn)器系統(tǒng)。
2.2.3 耐壓殼體的材料
目前高強(qiáng)度的鋁合金已經(jīng)廣泛用于制作中小型水下機(jī)器人的耐壓殼體和框架，鋁合金的比重較小，與其他的金屬材料相比，可以在相等W/V值的情況下獲得更深的工作深度，以及在更小的W/V值的情況下獲得更大的負(fù)載能力。本次設(shè)計(jì)采用Al-Mg-Si系熱處理強(qiáng)化合金6061鋁合金，國(guó)內(nèi)牌號(hào)LD30，機(jī)械性能如下表2-3所示：
表2-3 機(jī)械性能
6061鋁合金
狀態(tài)
σb 兆帕
σ0.2 兆帕
σ％
HB
Tb
310
275
17
95
2.2.4 耐壓殼體的計(jì)算
耐壓殼體需要確保殼體的強(qiáng)度及形狀的穩(wěn)定性，水下的耐壓殼體厚度與曲率半徑之比很小，可以視作薄殼結(jié)構(gòu)計(jì)算，以保證殼體的應(yīng)力小于許用應(yīng)力。
本次設(shè)計(jì)采用有限元分析的方法對(duì)于耐壓殼體進(jìn)行靜態(tài)分析，同時(shí)分析其表面強(qiáng)度，分析過程及結(jié)果將在后文中提及。
本節(jié)主要進(jìn)行耐壓殼體的穩(wěn)定性校核，按照破壞的情況劃分，可將受外壓的圓柱形殼體分為長(zhǎng)圓筒和短圓筒，劃分按照下述公式（2-1）確定：
（2-1）
公式成立，圓柱型殼體為長(zhǎng)圓筒，可以忽略邊界對(duì)于穩(wěn)定性的影響，其壓扁時(shí)波數(shù)為2，臨界壓力僅與圓柱壁厚與圓柱的外徑之比有關(guān)，與其長(zhǎng)度無關(guān)。反之，圓柱型殼體為短圓筒，必須考慮邊界對(duì)于殼體穩(wěn)定性的影響，臨界壓力與圓柱壁厚、圓柱長(zhǎng)度、圓柱外徑皆有關(guān)。
本次設(shè)計(jì)AUV取壁厚5mm，截面直徑250mm，整體AUV艙體長(zhǎng)取1.5m，代入上述公式得：
L=1500mm＜4.0D（D/2t）=5000mm
圓柱型殼體為短圓筒，使用米塞斯（mises）公式計(jì)算臨界壓力，實(shí)際工程上常用由米塞斯公式推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化公式拉姆公式（2-2）代替米塞斯公式計(jì)算短圓筒的臨界壓力值：
（2-2）
根據(jù)材料性質(zhì)，6061合金的彈性模量為68.9GPa，代入（2-2）式計(jì)算得：
Pcr=2.5968.9109×5/（1500250×（250/5））Pa=0.34MPa
20m水深處壓力約為0.296MPa，25m處約為0.34MPa，滿足穩(wěn)定性條件，耐壓殼體尺寸選用合理。
2.2.5 耐壓殼體的密封
耐壓殼體內(nèi)裝有控制、導(dǎo)航以及探測(cè)裝置，于水下進(jìn)行作業(yè)時(shí)需要較高的封閉能力，保證沒有絲毫的泄露，確保機(jī)器里裝有的零件隔離水的侵蝕。同時(shí)耐壓殼體必須有可拆卸的封頭，自主航行器在結(jié)束指定任務(wù)之后，必須時(shí)常維護(hù)檢測(cè)。綜上，要求AUV封頭兩個(gè)表面進(jìn)行安全可靠封閉。
本設(shè)計(jì)采用“接觸密封法”使用密封元件O型圈進(jìn)行密封，O型圈在喪失變形復(fù)原性或初始的壓縮之前可進(jìn)行更換，而且成本較低、耐腐蝕性好、壽命長(zhǎng)、彈性好，具體設(shè)計(jì)如圖2-6至2-9所示：
圖2-8三維密封示意1 圖2-9三維密封示意2
圖2-6二維密封示意1 圖2-7二維密封示意2
圖2-6,2-7為二維CAD圖紙，圖2-8,2-9為三維模型。
如圖2-5所示，耐壓殼具有多個(gè)艙體，傳感器艙與艙體一、艙體3與舵機(jī)艙采用圖2-7與圖2-9所示的密封方式，舵機(jī)艙螺紋孔開在坡面；艙體1與艙體2、艙體2與艙體3采用圖2-6與圖2-8所示的密封方式。
2.3 觀察窗的設(shè)計(jì)
水下自主航行器需要通過耐壓殼上的觀察窗把水下觀察對(duì)象的對(duì)應(yīng)影像傳輸給攝像機(jī)鏡頭，同時(shí)觀察窗需要保持連接部位的密封性能。觀察窗玻璃其光學(xué)性能應(yīng)當(dāng)較好，不含條紋、內(nèi)應(yīng)力等，能抵抗外部水壓并且外部不產(chǎn)生形變。
觀察窗具有三種結(jié)構(gòu)形式，平圓盤形、截錐形與球扇形。平圓盤形（圖2-10）易加工安裝，并且成本低，但其視界小、承受能力低，邊緣易出現(xiàn)高彎曲應(yīng)力，低壓面中心易產(chǎn)生裂紋；截錐形（圖2-11）是水下機(jī)器人普遍采用的觀察窗，承載能力與視界范圍優(yōu)于平圓盤形，密封由接觸面通過O型圈高壓密封實(shí)現(xiàn)；球扇形（圖2-12）不改變視場(chǎng)角，沒有畸變和色散，即折射引起的光學(xué)失真，應(yīng)力為均壓應(yīng)力，且數(shù)值較小，球扇形承載能力較高，但是要求加工精度較高，安裝的位置精度要求也較高[16]。
圖2-10 平圓盤形 圖2-11 截錐形
圖2-12 球扇形
圖2-13 觀察窗設(shè)計(jì)圖
綜合考慮本設(shè)計(jì)魚雷型AUV的頭部設(shè)計(jì)與觀察窗安裝問題，采用球扇形觀察窗，材料選用有機(jī)玻璃（丙烯酸塑料），相較于石英玻璃與鋼化玻璃具有更好的韌性，并且變性前能提前預(yù)知，可以作為檢測(cè)依據(jù)及時(shí)更換觀察窗玻璃元件，觀察窗整體設(shè)計(jì)具體于圖2-13展示。
2.4 本章小結(jié)
本章就AUV的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究AUV內(nèi)部系統(tǒng)，將其劃分為7個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)任務(wù)說明書，將AUV的7個(gè)系統(tǒng)按在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要程度劃分為四個(gè)層級(jí)。完成了第一層級(jí)耐壓殼體的設(shè)計(jì)，其中包括耐壓殼體的形體設(shè)計(jì)、材料選用、分析計(jì)算以及密封設(shè)計(jì)，劃分內(nèi)部空間，為具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供平臺(tái)。
3 AUV分層系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 AUV推進(jìn)裝置與舵
推進(jìn)器系統(tǒng)與舵為第二層級(jí)的設(shè)計(jì)，AUV整體的運(yùn)動(dòng)通過推進(jìn)裝置與舵實(shí)現(xiàn)，并且含有很多的機(jī)械設(shè)計(jì)部分，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。
3.1.1 推進(jìn)器的排列設(shè)計(jì)
按照設(shè)計(jì)要求，水下自主航行器需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，考慮多種設(shè)計(jì)方案，可以采用多推進(jìn)器的方式實(shí)現(xiàn)AUV的水下自由運(yùn)動(dòng)；可采用單推進(jìn)裝置結(jié)合舵的形式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的水下自由運(yùn)動(dòng)。
多推動(dòng)裝置方式實(shí)現(xiàn)AUV的運(yùn)動(dòng)，可采用5個(gè)推動(dòng)裝置，具體排列是為下圖3-1展現(xiàn)，通過操縱五個(gè)推動(dòng)裝置工作狀態(tài)，停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)AUV五個(gè)自由度方向的運(yùn)作。推進(jìn)器3、5控制進(jìn)退；推進(jìn)器1、2、4控制升沉；推進(jìn)器1、2控制橫搖；推進(jìn)器1、2、4控制縱搖；推進(jìn)器3、4控制擺艏。
1-推進(jìn)器 2-推進(jìn)器 3-推進(jìn)器 4-推進(jìn)器 5-推進(jìn)器
圖3-1 推進(jìn)方式1
1
2
5
3
4
單推進(jìn)器配合舵機(jī)控制也可實(shí)現(xiàn)AUV的自由運(yùn)動(dòng)，采用四個(gè)舵配合推進(jìn)器使用，如圖3-2所示，通過推進(jìn)器5控制AUV的進(jìn)退，通過舵機(jī)控制控制舵1、2與推進(jìn)器5配合完成升沉與縱搖運(yùn)動(dòng)，通過舵機(jī)控制舵3、4與推進(jìn)器5配合完成橫搖與擺艏運(yùn)動(dòng)。
1-前置舵 2-前置舵 3-后置舵 4-后置舵 5-推進(jìn)器
圖 3-2 推進(jìn)方式2
1
2
5
4
3
綜合考慮，選用第二種方案，該方案減小了運(yùn)動(dòng)的阻力，減少了AUV的成本，并且舵的使用提供了類漂浮器的效果，該點(diǎn)下文詳述。整體外形方案三維圖是為下圖3-3展現(xiàn)：
圖3-3 推進(jìn)方式三維示意圖
3.1.2 推進(jìn)器的選用
推進(jìn)器系統(tǒng)可以選用多類推進(jìn)器作為水下自主航行器的動(dòng)力源提供航行所需的動(dòng)能，初步考慮推進(jìn)器種類有電機(jī)推進(jìn)器，液壓推進(jìn)器，噴水推進(jìn)器與矢量推進(jìn)器。
中小型的水下自主航行器廣泛采用電機(jī)推進(jìn)器，直流電機(jī)成本較低，無刷直流電機(jī)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年的使用日漸興起，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單；液壓推進(jìn)器具有良好的無極調(diào)速，并且易實(shí)現(xiàn)密封，成本低，安全性能好，多在大中型水下機(jī)器人中使用；噴水推進(jìn)器利用高速水流反作用提供動(dòng)力，水下機(jī)器人的操控較為簡(jiǎn)單，但在水中雜物或者水草較多區(qū)域，易被賭賽影響航速；矢量推動(dòng)裝置可以改變推進(jìn)方向以及推進(jìn)量，但要求較高。
綜合考慮，本文選擇電機(jī)推動(dòng)裝置作為AUV的動(dòng)力推進(jìn)裝置，結(jié)合螺旋槳于尾部推動(dòng)完成航行。
當(dāng)水下自主航行器按照預(yù)設(shè)航速前進(jìn)時(shí)，推力可根據(jù)下式（3-1）計(jì)算：
（3-1）
其中：ρ——水的密度，A——潛器橫截面積，CD——拉力系數(shù)，取0.8。
此AUV橫截面積：
A=pi*R2
半徑R=0.125m
代入得此推動(dòng)需要的推動(dòng)裝置功率是為：
取速度為4節(jié)，約合v=2m/s，代入計(jì)算得：
P=1/2*1000kg/m3*v3*A*0.8=114.51w
考慮電機(jī)帶動(dòng)過程中的損耗，選用maxon的EC45，150w，24v，編號(hào)136198電機(jī)，配套使用GP42，Φ42，3~15nm行星齒輪箱，HEDL9140光電編碼器。螺旋槳選用健正模型P15008-4-L-MF螺旋槳。
3.1.3 推進(jìn)系統(tǒng)與舵的設(shè)計(jì)
推進(jìn)系統(tǒng)使用電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)，速度由控制模塊中預(yù)編程序或無線電波控制，如圖3-4所示。
圖3-4 推進(jìn)器系統(tǒng)二維圖
電機(jī)連接軸為階梯軸，使用兩個(gè)角接觸滾動(dòng)軸承進(jìn)行限位，三維圖如圖3-5所示。
本文水下自主航行器通過推進(jìn)器系統(tǒng)提供動(dòng)力，由舵完成整體方向的控制，完成直行、變向等動(dòng)作。
圖3-5 推進(jìn)器系統(tǒng)三維圖
本次設(shè)計(jì)采用如圖3-2所示舵的布置，將調(diào)整AUV升沉的兩側(cè)舵置于中部近前端，起類似水下滑翔翼的效果。傳統(tǒng)的水下滑翔器在水中只能遵循鋸齒形軌跡航行，航線控制和定位精度低，更甚者會(huì)出現(xiàn)隨波逐流的現(xiàn)象，但滑翔器的設(shè)計(jì)巧妙的利用了物體的重力與浮力，使其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力，顯著減少了水下航行器航行所需的能量，航行時(shí)間能達(dá)到一年[11]。
圖3-6 舵機(jī)系統(tǒng)二維圖
圖3-7 舵機(jī)系統(tǒng)三維圖
本次設(shè)計(jì)將部分滑翔器的優(yōu)點(diǎn)與水下自主航行器相結(jié)合，可以在一定程度上減少水下自主航行器的能耗，增大續(xù)航時(shí)間。使用舵機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)舵的運(yùn)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)完成精確導(dǎo)控，具體由圖3-6展示。
舵機(jī)系統(tǒng)分為前后兩系統(tǒng)，傳動(dòng)原理一致，前置舵機(jī)系統(tǒng)采用斜齒輪帶動(dòng)，后置電機(jī)采用直齒輪帶動(dòng)，三維圖如圖3-7所示。
舵機(jī)系統(tǒng)與螺旋槳系統(tǒng)是水下自主航行器的重要部分，為達(dá)到航行阻礙較小，本文將舵葉片設(shè)置為流線型，圖3-8為示意圖，前置舵，后置舵葉片分別同步，兩水平舵片、兩垂直舵片之間無差動(dòng)舵角。
圖3-8 舵系統(tǒng)葉片示意圖
3.1.4 AUV推進(jìn)系統(tǒng)與舵的密封設(shè)計(jì)
推進(jìn)系統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)采用密封圈加旋轉(zhuǎn)壓力密封的方式，殼體使用O型圈保證靜密封，軸部采用旋轉(zhuǎn)壓力密封加青銅進(jìn)行動(dòng)密封。如圖3-9，3-10。
舵系統(tǒng)密封與推進(jìn)系統(tǒng)類似，采用O型圈以及旋轉(zhuǎn)壓力密封加青銅的密封方式，如圖3-11,3-12所示。
圖3-9 推進(jìn)系統(tǒng)密封示意二維圖 圖 3-10 推進(jìn)系統(tǒng)密封示意三維圖
O型圈
旋轉(zhuǎn)壓力密封
O型圈
旋轉(zhuǎn)壓力密封
圖3-11 舵密封示意二維圖 圖 3-12 舵密封示意三維圖
除了加工的因素外，機(jī)械力、速度、溫度與安裝方式等都會(huì)影響到密封的效果，所以對(duì)于密封件的密封槽加工精度要求較高，要求表面粗糙度達(dá)到1.6，以及同心度等。
3.2 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
水下自主航行器與有纜水下機(jī)器人在能源補(bǔ)給方面截然不同，有纜水下機(jī)器人具有母船或者岸基通過纜線供能；通常情況下水下自主航行器離開母船獨(dú)自作業(yè)，需要自行攜帶能源系統(tǒng)，對(duì)于能源系統(tǒng)要求較高。
水下自主航行器能源系統(tǒng)需要電池組供能。電池組可分為多個(gè)類型，包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎘電池、鋰電池以及燃料電池等。鉛酸電池工藝成熟，成本低，但其循環(huán)壽命短、比能低，目前在正式使用的水下自主航行器中已淘汰；銀鋅電池壽命短、維護(hù)費(fèi)用高、低溫性能較差，比能優(yōu)于鉛酸電池，曾使用在水下自主航行器中，目前使用較少；鎳鎘電池比能與鉛酸電池差別較小，性能與成本相較太??；燃料電池是最新的水下自主航行器電池發(fā)展趨勢(shì)；鋰電池在國(guó)內(nèi)技術(shù)較其他電池成熟，且鋰電池比能高、循壞壽命長(zhǎng)、自放電率低，本次設(shè)計(jì)采用鋰電池組為能源系統(tǒng)電磁組[19]。
圖3-13 電池組排布示意圖
參照前人研究成果，整體設(shè)計(jì)考慮將能源系統(tǒng)劃分為7個(gè)模塊，電池組模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、均衡控制模塊、SOC估算模塊、控制器模塊、通信模塊以及顯示存儲(chǔ)模塊，電池組擬采用圓形陣列排布（圖3-13），節(jié)省空間，其他模塊與其按照相對(duì)關(guān)系安裝[3]。
因設(shè)計(jì)人員水平有限以及時(shí)間原因，能源系統(tǒng)剩余設(shè)計(jì)其余系統(tǒng)本文不做過多設(shè)計(jì)，待以后研究完善。
3.3 AUV防腐蝕
水下環(huán)境較為惡劣，尤其是海洋環(huán)境，一般水下航行器在設(shè)計(jì)和制作時(shí)必須考慮防腐蝕措施，一般可采取下述方法：
1. 采用耐腐蝕的金屬、合金、非金屬材料；
2. 在需保護(hù)的AUV表面，進(jìn)行涂漆等操作隔絕腐蝕介質(zhì)；
3. 電化學(xué)保護(hù)；
4. 采用減輕腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)采用的是6061合金，是一種具有較高耐腐蝕性的鋁合金，該材料會(huì)在表面生成一層氧化鋁薄膜，從而提高耐腐蝕性。另外，設(shè)計(jì)在AUV表面殼體上增加涂料涂層，對(duì)于鋁合金進(jìn)行表面做陽極氧化處理后，再涂以聚氯乙烯塑料涂層。
3.4 本章小結(jié)
本章根據(jù)第二章AUV分層設(shè)計(jì)，主要針對(duì)其中的第二以及第三層級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二層級(jí)主要為推進(jìn)裝置與舵的設(shè)計(jì)，包括推進(jìn)器的排列、舵的設(shè)計(jì)，并給出原理圖，設(shè)計(jì)推進(jìn)器以及舵的密封，涉及選用、設(shè)計(jì)等多方面；第三層級(jí)能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章最后進(jìn)行了AUV整體防腐蝕的設(shè)計(jì)，確保AUV在惡劣的工作環(huán)境下良好工作。
4 關(guān)鍵部分校核與分析
對(duì)于AUV的校核與分析，需要校核的部位有電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸、AUV穩(wěn)心、舵、整體外形以及在水中的運(yùn)動(dòng)情況。
就AUV電機(jī)連接軸以及舵機(jī)連接軸與穩(wěn)心的校核，擬采用公式校核；對(duì)于電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸、整體的靜態(tài)分析輔以solidworks有限元分析；對(duì)于水中動(dòng)態(tài)分析采用基于ansys的有限元分析進(jìn)行。
4.1 關(guān)鍵部位的校核
4.1.1 電機(jī)與舵機(jī)連接軸的校核
電機(jī)傳動(dòng)軸主要受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，彎矩可忽略不計(jì)，對(duì)于此類軸可以使用以下公式（4-1）進(jìn)行初步的校核：
（4-1）
其中，查得電機(jī)連接軸材料304鋼在100℃以下的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為137MPa，公式中：
τT–扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa；
T - 軸所受的扭矩，N·mm；
WT –軸的抗扭截面系數(shù)，
其中，電機(jī)連接軸鍵槽是單鍵槽，單鍵槽抗扭截面系數(shù)WT的計(jì)算公式（4-2）如下所示：
（4-2）
其中：
b - 鍵槽寬度，0.004m；
t- 鍵槽深度，0.002m；
d- 軸的直徑，0.008m。
考慮電機(jī)極限情況堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，選用電機(jī)EC45堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為952mNm，代入計(jì)算得：
==952mNm/（）=40.715MPa<137MPa
經(jīng)校核，電機(jī)連接軸強(qiáng)度滿足條件，選用滿足AUV整體推動(dòng)要求。
舵機(jī)連接軸的校核與電機(jī)連接軸類似，舵機(jī)連接軸不帶有鍵槽，使用下列公式（4-3）計(jì)算舵機(jī)連接軸的抗扭截面系數(shù)WT：
（4-3）
舵機(jī)連接軸d=0.008m；
代入計(jì)算得到：
==365mNm/=15.61MPa<137MPa
舵機(jī)連接軸符合要求，選用合理。
4.1.2 穩(wěn)心的校核
為保持水下自主航行器穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機(jī)器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于7cm，大型水下機(jī)器人應(yīng)相應(yīng)增大，本課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選用7cm。
本課題主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)第一層級(jí)以及第二層級(jí)空氣中的質(zhì)量為40kg，整體水下自主航行器可以提供的浮力可由下式（4-4）計(jì)算：
（4-4）
計(jì)算得可提供68.8kg的浮力，浮心位置約在中軸線中部，已設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)重心位置在中軸線靠后，可調(diào)整剩余結(jié)構(gòu)使其重心靠近中部，重心偏下符合穩(wěn)心相對(duì)較高的設(shè)計(jì)要求。
4.2 基于solidworks的靜態(tài)分析
利用solidworks附帶的SimulationXpress功能進(jìn)行有限元分析，首先對(duì)于被分析對(duì)象進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，添加夾具等，然后添加相應(yīng)的力，再劃分網(wǎng)格進(jìn)行分析。
4.2.1電機(jī)與舵機(jī)連接軸的分析
電機(jī)與舵機(jī)連接軸是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，上節(jié)進(jìn)行了初步的分析，本節(jié)基于solidworks的有限元分析功能對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的靜態(tài)分析。
電機(jī)在工作時(shí)的堵轉(zhuǎn)扭矩為952mN.m，將扭矩?fù)Q算成于鍵槽面施加的力，取鍵槽中心位置，約合為238N。
首先對(duì)于電機(jī)連接軸施加扭矩，在此轉(zhuǎn)化為對(duì)于實(shí)體一端進(jìn)行施力以達(dá)到與施加扭矩相同的效果。
舵機(jī)連接軸在被舵機(jī)帶動(dòng)時(shí)，實(shí)際所需力較小，考慮安全因素，采用200N作為靜態(tài)分析的施加力。
電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸都采用304鋼作為制作材料，材料屬性如表4-1所示：
表4-1 304鋼屬性
模型參考
屬性
零部件
名稱:
AISI 304
模型類型:
線性彈性同向性
默認(rèn)失敗準(zhǔn)則:
未知
屈服強(qiáng)度:
206.807 N/mm^2
張力強(qiáng)度:
517.017 N/mm^2
SolidBody (電機(jī)連接軸)
對(duì)于電機(jī)連接軸、舵機(jī)連接軸（前置）、舵機(jī)連接軸（后置）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果分別如表4-2所示：
電機(jī)連接軸（a）、前置舵機(jī)連接軸（b）、后置舵機(jī)連接軸（c）在SimulationXpress中的具體網(wǎng)格劃分示意如圖4-1所示。
表 4-2
電機(jī)連接軸
舵機(jī)連接軸（前置）
舵機(jī)連接軸（后置）
節(jié)點(diǎn)總數(shù)
77889
74462
75626
單元總數(shù)
51635
50085
50893
最大高度比例
11.197
3.6008
4.9041
單元（%），高寬比＜3
99.7
99.8
99.8
單元（%），高寬比＞10
0.00775
0
0
扭曲單元（雅克比）的%
0
0
0
a) 電機(jī)連接軸 b) 前置舵機(jī)連接軸 c) 后置舵機(jī)連接軸
圖 4-1
電機(jī)連接軸的靜態(tài)分析結(jié)果是為下圖4-2展現(xiàn)：
圖4-2 電機(jī)連接軸靜態(tài)分析
圖中凸起為方便施加扭矩所加，不影響分析結(jié)果，圖中變形為方便觀察所示，實(shí)際變形人眼無法觀測(cè)，分析結(jié)果表明，電機(jī)連接軸在堵轉(zhuǎn)時(shí)所受到的最大應(yīng)力為184.286 N/mm^2 (MPa)，處于電機(jī)連接軸與螺旋槳連接處前的退刀槽，電機(jī)連接軸的屈服應(yīng)力為206.807MPa，最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，故電機(jī)連接軸設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。
在堵轉(zhuǎn)扭矩下的電機(jī)連接軸變形如圖4-3所示，最大變形處約為0.07mm。
圖4-3 電機(jī)連接軸變形示意圖
舵機(jī)連接軸（前置）與舵機(jī)連接軸（后置）的分析如表4-3所示：
表4-3 應(yīng)力分析
名稱
類型
最小
最大
Stress
Stress
VON:von Mises 應(yīng)力
VON:von Mises 應(yīng)力
0.0357449 MPa
0.0304046 MPa
134.767MPa
136.929MPa
其具體受力三維示意圖是為圖4-4、4-5所示：
圖4-4 前置舵機(jī)連接軸受力示意圖
圖4-5后置舵機(jī)連接軸受力示意圖
最大應(yīng)力位于退刀槽且其最大應(yīng)力分別為134.767MPa、136.929MPa，小于極限應(yīng)力206.807MPa，故兩電機(jī)連接軸強(qiáng)度符合要求。兩電機(jī)連接軸形變示意為下圖4-6、4-7。
圖4-6前置舵機(jī)連接軸變形示意圖
圖4-7后置舵機(jī)連接軸受力示意圖
忽略輔助快部分，兩軸的極大形變相近，數(shù)值上為0.027mm。
如圖4-8所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)），三軸安全系數(shù)皆大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)，電機(jī)以及舵機(jī)連接軸滿足要求。
a) 電機(jī)連接軸 b) 前置舵機(jī)連接軸 c) 后置舵機(jī)連接軸
圖4-8
4.2.2 AUV耐壓殼主體分析
AUV耐壓殼的主體已經(jīng)在上文完成穩(wěn)態(tài)分析，在本節(jié)中，將完成耐壓殼體的靜態(tài)分析，主要針對(duì)耐壓殼體的所受的壓力以及可能產(chǎn)生的形變。
首先，對(duì)于耐壓殼體進(jìn)行載荷的施加，因?yàn)槟蛪簹んw所處環(huán)境為水下，所以耐壓殼體所受的壓力為全外表面。對(duì)于耐壓殼體外表面設(shè)定壓力為一般有限元分析中的邊界條件設(shè)定，具體載荷如表4-4所示：
表4-4 載荷施加
載荷名稱
裝入圖象
載荷細(xì)節(jié)
壓力-1
實(shí)體:
3面
類型:
垂直于所選面
值:
296000
單位:
N/m^2
相位角度:
0
單位:
deg
確定邊界條件之后，對(duì)耐壓殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)閟olidworks有限元分析的限制，所以將網(wǎng)格密度提升以達(dá)到更精確的分析結(jié)果。劃分方式如下圖4-9所示：
圖4-9 網(wǎng)格劃分示意圖
使用SimulationXpress進(jìn)行模擬運(yùn)算，獲得對(duì)于AUV耐壓殼體的靜態(tài)分析結(jié)果。AUV的靜態(tài)應(yīng)力如圖4-10所示。
圖4-10 AUV靜態(tài)分析
由圖可知，最大應(yīng)力處為舵機(jī)艙與艙體3交界處，最大應(yīng)力為6.714MPa，6061合金的最大屈服應(yīng)力為55.148MPa，符合強(qiáng)度要求。圖中所示的變形為變形示意，真實(shí)變形為圖4-11數(shù)據(jù)所示，4-11圖中變形同為示意，為方便觀察所設(shè)立，實(shí)際變形情況以數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
其中變形最大部位在AUV半圓形頭部，最大變形約為0.02843mm，實(shí)際設(shè)計(jì)中內(nèi)部各艙體連接處具有肋骨支撐，防止其變形。
整體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖4-12所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)）：
圖4-11 AUV靜態(tài)位移
圖4-12 AUV安全系數(shù)示意
如圖所示，AUV耐壓殼殼體整體安全系數(shù)大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度要求。
4.2.3 AUV舵的分析
AUV舵采用材料與耐壓殼體一致，屬性如表4-7所示，對(duì)AUV舵設(shè)置邊界條件，舵所受壓力為0.296MPa，邊界條件設(shè)置如下圖4-13所示：
邊界條件確定，對(duì)舵采用網(wǎng)格劃分，以繼續(xù)后續(xù)有限元分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果于圖4-14展現(xiàn)。
a) 舵1邊界條件 b) 舵2邊界條件
圖4-13
圖4-14
a） 舵1網(wǎng)格劃分 b) 舵2網(wǎng)格劃分
使用SimulationXpress進(jìn)行模擬計(jì)算舵1以及舵2在受到水下20m處?kù)o態(tài)壓力下的受力與變形情況。受力情況于圖4-15與4-16展現(xiàn)，4-15為舵1的受力分析圖，其中壓力最大處為1.11657MPa，而其屈服極限為55.148MPa,舵1強(qiáng)度符合要求；4-16為舵2的受力分析圖，壓力最大處為1.10478 MPa，符合強(qiáng)度要求。
舵1、舵2的變形情況如圖4-17、4-18所示，舵1 的最大變形處位于舵頂部，變形量為 0.0003 mm；舵2的最大變形處與舵1一致，位于舵頂部轉(zhuǎn)折處，最大變形量為0.0002mm。
圖4-15 舵1受壓示意圖
圖4-16 舵2受壓示意圖
圖4-17 舵1變形示意圖
圖4-18 舵2變形示意圖
圖4-19
a) 舵1安全系數(shù) b) 舵2安全系數(shù)
舵1、舵2的整體安全系數(shù)如圖4-19所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)），整體安全系數(shù)大于1，屬于安全可行設(shè)計(jì)。
4.3 基于Ansys Workbench的AUV動(dòng)態(tài)分析
Ansys在12版本開始，已經(jīng)集成了fluent的流場(chǎng)分析功能，本文使用ansys的workbench集成模塊進(jìn)行水下自主航行器的動(dòng)態(tài)分析，主要分析其在航行時(shí)的受壓以及流場(chǎng)特性，AUV的航速設(shè)計(jì)指標(biāo)為1.5-3.5節(jié)，考慮水流速度的影響，分析時(shí)取流場(chǎng)相對(duì)AUV速度為4節(jié)，約合2m/s，AUV于水中靜止。
4.3.1 網(wǎng)格劃分
使用ansys workbench對(duì)AUV進(jìn)行分析，首先加載Fluid Flow(CFX)模塊，于Geometry中加載solidworks中導(dǎo)出的STEP文件，完成AUV整體外形的導(dǎo)入工作，然后使用Mesh對(duì)AUV模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，Meshing對(duì)于網(wǎng)格的創(chuàng)建可分為全局網(wǎng)格控制和局部網(wǎng)格控制兩種，本文使用其全局網(wǎng)格控制功能，取尺寸為1200
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