水下自主航行器結構設計（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）
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本科畢業(yè)論文（設計）
開題報告
題 目_水下自主航行器結構設計_
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、學術價值或?qū)嶋H應用價值
課題來源、選題依據(jù)和背景情況：
產(chǎn)品的發(fā)展離不開技術與經(jīng)濟的支持，水下自主航行器（AUV）在二十世紀六十年代發(fā)展初期由于其體積、效率、造價等與同時期的有纜無人水下航行器（UUV）相差較大，一度低迷，伴隨著新興技術的發(fā)展，自航行器的發(fā)展面貌煥然一新。參考國外的的水下自航行器發(fā)展經(jīng)驗以及多種機器人產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)驗，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構設計，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。
目前國內(nèi)缺乏對于水下自主航行器的單獨模塊研究，研究模塊化的核心是將產(chǎn)品以功能劃分并且進行相關研究，而水下自主航行器的本體結構研究是研究模塊化的基礎，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，子模塊的研究獨立于總模塊，但同時需要遵循總框架下的標準規(guī)格。水下自主航行器結構是支撐子系統(tǒng)的整體結構，研究其本體結構就是研究總模塊。
課題研究目的、學術價值或?qū)嶋H應用價值：
完成水下自主航行器的本體結構設計，搭建水下探測傳感器的運行平臺，進行淺水淡水域水下自主航行器本體結構的通用化、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構框架的最優(yōu)設計。
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)濟性，研究水下自主航行器的本體結構的通用設計，對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構的模塊研究有利于刺激民用水下自主航行器的發(fā)展，使其復雜的系統(tǒng)分解后可以達到平行操作，子模塊都能成為一個單獨的產(chǎn)品進行研究，最大程度的發(fā)揮生產(chǎn)和組織的優(yōu)勢，刺激水下自主航行器商業(yè)的發(fā)展，進而促進產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展。
二、文獻綜述
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)
水下機器人在軍事以及國民經(jīng)濟中發(fā)揮重要的作用，國內(nèi)外對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）自二十世紀開始發(fā)展，七十年代步入探索階段，并于八十年代進入原型設計和設計階段，概念驗證原型POC得到開發(fā)、檢測和應用，這時候的AUV處于早期原始階段，體型大、效率低、造價高。這種情況持續(xù)到九十年代，水下自航行器由原型進入樣機階段，AUV的發(fā)展與微電子技術、計算機技術、人工智能技術、小型化導航設備、控制軟件等息息相關，九十年代眾多技術為AUV的研究提供了可行性，水下自航行器走向成熟。國內(nèi)外水下自航行器在國家的支持下持續(xù)發(fā)展。
美國的AUV技術發(fā)展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美國華盛頓大學SPURV，同時這也是世界AUV的起始。美國存在年度的大學AUV競賽，也有年度海上“Demonstration”AUV盛會，全國十余所AUV研究前沿機構參會。國內(nèi)擁有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究機構。產(chǎn)品包括在伊拉克戰(zhàn)爭中大放異彩的REMUS（圖2-1）系列、科考用的ABE（圖2-2）型號、高性能小型AUV-BPAUV（圖2-3）等。并且在國家層面具有“海軍無人潛航器計劃”等戰(zhàn)略計劃，北約也有M02015無人水下航行器發(fā)展計劃。
日本作為島國一直重視海洋的開發(fā)，是深海AUV開發(fā)的強國，1995年“海溝”作為當年的世界紀錄保持者，下潛深度達到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AUV，總體偏向民用深海開發(fā)，擁有三菱重工業(yè)公司等領軍公司機構；英國較著名的有BAE系統(tǒng)公司的Talisman（圖2-5）軍用多用途AUV；韓國擁有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄羅斯也自二十世紀60年代開始研發(fā)，擁有如軍用MT-88號、MIR1、MIR2（圖2-6）等多個型號的AUV；挪威擁有自身的軍用AUV發(fā)展計劃，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時大放異彩，同時擁有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AUV的發(fā)展圍繞兩核心，一是中科院沈陽自動化研究所、中船重工702所、中科院聲學院、哈爾濱工程大學共同研發(fā)的探索者號，以及中國大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)研究協(xié)會支持的中科院沈陽自動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、702所、709所、華中理工大學合作的“智水”系列。同時國家層面具有“863”計劃。
AUV目前向著深海遠航、導航通訊一體化、隱蔽性、小型化、智能化、靈活的機動性以及多使命的重構性、多AUV協(xié)同方向發(fā)展。軍用AUV的發(fā)展是國家國防力量的重要保證，目前主要在九個方面重點發(fā)展：情報/監(jiān)視/偵察能力（ISR）、水雷對抗能力（MCM）、反潛戰(zhàn)能力（ASW）、檢測/識別能力（ID）、海洋學能力、通信/導航網(wǎng)絡節(jié)點能力（CN3）、有效載荷發(fā)送能力、信息戰(zhàn)能力（IO）、時敏打擊能力（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
[1] 馬偉峰，胡震. AUV的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. 中國船舶科學研究中心.2008,6.
[2] 高富東. 復雜海況下新型水下航行器設計與關鍵技術研究. 國防科學技術大學研究生院.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.2013,3.
[4] 宋壽山. 基于多推進器的 AUV建模與控制器設計. 西北工業(yè)大學.2006,3.
[5] 楊峻巍. 水下航行器導航及數(shù)據(jù)融合技術研究. 哈爾濱工程大學.2012,6.
[6] 吳乃龍. 小型 AUV 動力學建模及推力控制研究.中國海洋大學.2012,6.
[7] 溫秉權. 小型淺水域水下自航行器系統(tǒng)設計與試驗研究.天津大學.2005,6.
[8] 孫麗. 自治水下機器人(AUV)三維結構設計及仿真分析.中國海洋大學.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)大學航海學院.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、研究內(nèi)容
1． 學術構想與思路；主要研究內(nèi)容及擬解決的關鍵問題（或技術）
學術構想與思路：
本課題研究水下自主航行器的結構，AUV具有多個系統(tǒng)共同工作，包括推進器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、螺旋槳推進器，各個系統(tǒng)具有多種選擇方案，例如推進器系統(tǒng)使用螺旋槳推進器、噴水推進器或者矢量推進器等。對于水下自主航行器以具體功能為單位進行分析，合理安排水下自主航行器內(nèi)外空間；通過優(yōu)化設計對不同方案組合選優(yōu)創(chuàng)建本體結構模塊劃分與設計。利用相關軟件進行強度、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模型。
主要研究內(nèi)容及擬解決的關鍵問題（或技術）：
本課題研究水下自主航行器的結構設計，運用機械學的知識擬采取多種方案取優(yōu)，并通過ansys等相關軟件分析AUV的結構強度。主要設計水下自主航行器的結構，對于水下自主航行器的結構形體設計，研究外部形態(tài)設計，多重考慮水壓等因素；設計內(nèi)部空間劃分，為水下自主航行器搭載其他系統(tǒng)預留空間；考慮其他水下自主航行器可能遇到的阻礙與困難，總體設計，研究在淺水域AUV中的通用水下自主航行器結構設計。
擬解決的關鍵問題：
（1）耐壓艙壁厚的優(yōu)化設計。
（2）關鍵部件的強度校核。
（3）AUV結構的通用化設計。
2．擬采取的研究方法、技術路線、實施方案及可行性分析
擬采取的研究方法：
1、首先對水下自主航行器預研，確定主要的研究對象以及擬解決的關鍵問題；
2、對于預研結果評估，滿足要求則對于預研結果研究，反之返回第一步；
3、給出研究結果；
4、評估研究結果，滿足要求則進行相關試驗，深入研究，反之返回第四步；
5、在目標結果上設計并且實現(xiàn)系統(tǒng)，給出性能評價結果。
擬采用的技術路線和實施方案：
本課題的研究關鍵在于對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，再對于取得的最優(yōu)解進行相關校核，包括強度、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)有功能以及相應結構；
2、對于分析的結果分門別類；
3、對于水下自主航行器分類進行窮舉，列出不同組合；
4、分析各組合優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案；
5、利用相關軟件對于選出的最優(yōu)方案進行校核。
四、論文（設計）進度安排
起止時間
主要內(nèi)容
預期目標
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)有功能以及相應結構并分門別類。
對于水下自主航行器分類進行窮舉，列出不同組合。
完成相應二維圖紙、三維造型的設計。
整體校核，軟件模擬分析，關鍵部位校核等。
修改完善設計資料，完成論文。
準備論文答辯。
初步確定課題研究方法，完成開題報告
分析找到最優(yōu)方案
建立三維模型，繪制零件圖和裝配圖
校核分析結果
完成畢業(yè)論文
完成答辯PPT
五、審核意見
導師意見
導師簽字:
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、審核小組應至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。
8
本 科 畢 業(yè) 設 計
水下自主航行器結構設計
摘 要
海洋是人類尚未完全開發(fā)的巨大寶庫，有效的利用海洋及湖泊的資源對于人類的生存和發(fā)展至關重要。水下機器人在水下資源的開發(fā)與探查、民用方面搜救與科研、軍事偵察與對抗等方面都是非常重要的組成部分。水下機器人由于其獨特的水下環(huán)境適應性、相較于人工的方便性等優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為當今社會的熱門研究領域。
本文根據(jù)設計任務書，設定水下自主航行器的技術指標，針對水下自主航行器分層設計，主要進行水下自主航行器的結構設計，水下自主航行器的耐壓殼體設計，其中包括耐壓殼體的材料選用、計算校核、密封設計以及觀察窗的設計；水下自主航行器推進裝置與舵的設計，其中包括推進器排列設計、推進器的選用、系統(tǒng)與舵的設計、密封設計；水下自主航行器的防腐蝕設計。
對于水下自主航行器具體的設計從分層設計入手，由上至下進行設計，分別采用具體設計、概念設計、預留空間等設計方法。初步設計的具體方法為：判別設計要求之后，結合前人所做的數(shù)據(jù)分析，從多種設計方案中選用最優(yōu)的設計方案進行進一步的研究，隨后選用經(jīng)驗公式進行初步的校核，完成初步的設計。
為了更好的研究AUV的水下性能，本文選用solidworks的SimulationXpress功能對AUV進行靜態(tài)分析，主要對于AUV的耐壓殼體、舵進行校核，就壓力、變形以及安全系數(shù)三個大體方面進行分析。通過對于耐壓殼體、舵整體施加壓力，劃分網(wǎng)格，進行靜態(tài)分析。
對設計完成的AUV進行基于Ansys Workbench三維動態(tài)分析，模擬AUV附近流場的運動，劃分網(wǎng)格、設定邊界條件，分析得到結果，將分析得到的結果與經(jīng)驗公式的計算值相比較，綜合考慮速度與壓力等因素，驗證設計的安全可行性。設計合理則采用，反之修改設計，最終完成AUV的整體結構設計工作。
關鍵詞：自主水下航行器；結構設計；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 水下機器人概述 2
1.2.1 水下機器人分類及特征 2
1.2.2 國內(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 研究內(nèi)容 5
1.3.3擬解決的關鍵問題 5
1.3.4 研究方法 6
2 AUV整體結構設計 7
2.1 AUV設計參數(shù)及分層設計 7
2.1.1 AUV設計參數(shù) 7
2.1.2 AUV分層設計 8
2.2 AUV耐壓殼的設計 8
2.2.1 耐壓殼的整體形狀設計 8
2.2.2 耐壓殼體內(nèi)部空間劃分設計 9
2.2.3 耐壓殼體的材料 10
2.2.4 耐壓殼體的計算 10
2.2.5 耐壓殼體的密封 11
2.3 觀察窗的設計 12
2.4 本章小結 13
3 AUV分層系統(tǒng)設計 14
3.1 AUV推進裝置與舵 14
3.1.1 推進器的排列設計 14
3.1.2 推進器的選用 15
3.1.3 推進系統(tǒng)與舵的設計 16
3.1.4 AUV推進系統(tǒng)與舵的密封設計 17
3.2 能源系統(tǒng)設計 18
3.3 AUV防腐蝕 19
3.4 本章小結 19
4 關鍵部分校核與分析 21
4.1 關鍵部位的校核 21
4.1.1 電機與舵機連接軸的校核 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電機與舵機連接軸的分析 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動態(tài)分析 32
4.3.1 網(wǎng)格劃分 32
4.3.2 邊界條件的設定 33
4.3.3 分析結果 33
4.4 本章小結 36
全文展望與總結 37
參考文獻 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)濟的發(fā)展、人口的增加導致人類對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。海洋蘊含著豐富的資源，是一片尚未完全開發(fā)的寶地，世界各國對于海洋資源的爭奪與開發(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]。
海洋的競爭是新一輪的國際競爭，開發(fā)海洋需要高技術手段，對于海洋的開發(fā)與保護是維護可持續(xù)發(fā)展與國家安全的必然要求。由于人的潛水深度有限，水下機器人成為代替人類進行水下的作業(yè)的重要工具，目前開發(fā)海洋的工作離不開水下機器人的發(fā)展。
從民用方面出發(fā)，水下機器人技術的發(fā)展為安全搜救、管道檢查、科研教學、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，使得安全檢測工作、水下拆裝工作、走私物品檢測、水下目標觀察、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世紀的海上力量離不開水下機器人的發(fā)展，在9個重點的方面：情報/監(jiān)視/偵察（ISR）、水雷對抗（MCM）、反潛戰(zhàn)（ASW）、檢測/識別（ID）、海洋學、通信/導航網(wǎng)絡節(jié)點（CN3）、有效載荷發(fā)送、信息戰(zhàn)（IO）、時敏打擊（TCS），我們都需要依賴水下機器人的高技術力量。
目前水下機器人向著深海遠程、導航通訊一體化、隱蔽性、小型化、智能化、靈活的機動性和多使命的重構性、多AUV協(xié)調(diào)工作等方面發(fā)展。
1.2 水下機器人概述
1.2.1 水下機器人分類及特征
水下機器人可以粗略的分為兩類，一類為載人的有人潛器，例如我國的“蛟龍?zhí)枴保硪活悶闊o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行，但是無法離開岸基或者母船太遠，同時，纜線也是制約有纜潛器的關鍵。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編程型兩種。
另外按照用途、運動方式、控制方式等也可將水下機器人劃分為不同種類，在此不一一敘述。
1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
水下機器人在軍事以及國民經(jīng)濟中發(fā)揮重要的作用，國內(nèi)外對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，并于八十年代進入原型設計和設計階段，概念驗證原型POC得到開發(fā)、檢測和應用，這時候的AUV處于初時原始階段，體型臃腫、效率遲緩、造價昂貴。這種情況持續(xù)到九十年代，其發(fā)展由原型進入樣機階段，AUV的發(fā)展與微電子科技、計算機技術、自主智能科技、小型化航線控制設備、控制科技等息息相關，九十年代眾多技術為AUV的發(fā)展奠定了科技支持促進其走向成熟。世界范圍的自主航行器在國家支持下持續(xù)進步。
美國的AUV技術發(fā)展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美國華盛頓大學SPURV，同時這也是世界AUV的起始。美國存在年度的大學AUV競賽，也有年度海上“Demonstration”AUV盛會，全國十余所AUV研究前沿機構參會。國內(nèi)擁有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究機構。產(chǎn)品包括在伊拉克戰(zhàn)爭中大放異彩的REMUS（圖1-1）系列、科考用的ABE（圖1-2）型號、高性能小型AUV-BPAUV（圖1-3）等。并且在國家層面具有“海軍無人潛航器計劃”等戰(zhàn)略計劃，北約也有M02015無人水下航行器發(fā)展計劃。
日本作為島國一直重視海洋的開發(fā)，是深海AUV開發(fā)的強國，1995年“海溝”作為當年的世界紀錄保持者，下潛深度達到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AUV，總體偏向民用深海開發(fā)，擁有三菱重工業(yè)公司等領軍公司機構；UK較著名的有BAE系統(tǒng)公司的護身符（圖1-5）軍用多功能AUV；韓國擁有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄羅斯也自二十世紀60年代開始研發(fā)，擁有如軍用MT-88號、MIR1、MIR2（圖1-6）等多個型號的AUV；挪威擁有自身的軍用AUV發(fā)展計劃，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時大放異彩，同時擁有RAY、Sunfish等AUV；AUS擁有“海龜”用以水下研究以及“Wayamba”等AUV[8]。
中國AUV的發(fā)展圍繞兩核心，一是中科院沈陽自動化研究所、中船重工702所、中科院聲學院、哈爾濱工程大學共同研發(fā)的探索者號，以及中國大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)研究協(xié)會支持的中科院沈陽自動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、702所、709所、HUST合作的“Intelligence Water class(智水)”AUV。同時國家層面具有“863”計劃[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)濟性問題，由于水下機器人在海洋開發(fā)以及新時代軍事對抗的需求，21世紀海上力量的發(fā)展離不開AUV的發(fā)展，深海遠程、智能化等7個方向，以及情報/監(jiān)視/偵察能力（ISR）、海洋學能力等9大重點能力是當代AUV發(fā)展的趨勢，以及很多研究機構的努力方向。
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構設計，搭建水下探測傳感器的運行平臺，進行淺水淡水域水下自主航行器本體結構的通用化、模塊化的研究，確定在多種功能要求下的通用AUV總結構框架的最優(yōu)設計。
研究水下自主航行器的整體結構設計，采用通用型的設計，方便控制、導航以及能源等模塊的加入以及拓展，為日后海洋大學的水下自主航行器的結構研究提供參考樣本，及其他部分的研究提供搭載平臺。
1.3.2 研究內(nèi)容
課題的主要研究內(nèi)容為：
（1）AUV主體的具體幾何參數(shù)設計、三維設計、仿真分析。
（2）AUV推進方式設計，確定動力源以及傳動方式，選用相關零部件。
（3）AUV舵機系統(tǒng)設計，設計傳動方式、連接方式以及AUV的運動控制方式。
（4）AUV觀察窗設計，傳感器艙的設計。
（5）AUV動密封方式的研究與設計，應用于AUV主殼體連接處，以及推進系統(tǒng)、舵機系統(tǒng)與觀察窗部位。
（6）關鍵部位的強度校核以及AUV整體的流體分析。
本文主要用到結構分析、流體分析以及強度校核設計等知識，因此采用理論分析與計算機仿真結合的方式研究。
1.3.3擬解決的關鍵問題
本課題研究水下自主航行器的結構設計，運用機械學的知識擬采取多種方案取優(yōu)，并通過ansys等相關軟件進行AUV的流體分析。主要設計水下自主航行器的結構，對于水下自主航行器的結構形體設計，研究外部形態(tài)設計，多重考慮水壓等因素；設計內(nèi)部空間劃分，為水下自主航行器搭載其他系統(tǒng)預留空間。
擬解決的關鍵問題：
（1）耐壓艙壁厚的優(yōu)化設計。
（2）關鍵部件的強度校核。
（3）AUV結構的通用化設計。
1.3.4 研究方法
本課題研究AUV的結構，該機器運作時具有多個系統(tǒng)共同工作，包括推進器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、螺旋槳推進器，各個系統(tǒng)具有多種選擇方案，例如推進器系統(tǒng)使用螺旋槳裝置、噴水裝置或者矢量裝置等。對于AUV以具體功能為單位進行分析，合理安排設備內(nèi)外空間；通過優(yōu)化設計對不同方案組合選優(yōu)創(chuàng)建本體結構模塊劃分與設計。利用相關軟件進行強度與剛度的校核。
2 AUV整體結構設計
2.1 AUV設計參數(shù)及分層設計
2.1.1 AUV設計參數(shù)
本課題旨在依據(jù)項目說明書，設計研制一套AUV傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的搭載平臺，為日后研究AUV整體設計提供樣本以及為具有具體使命的AUV提供搭載平臺。
1. 水平航速選擇：一般淺水域AUV航速在1-5節(jié)，本文設計的AUV選用航速1.5-3.5節(jié)。
2. 運動自由度：設計AUV需要實現(xiàn)5個自由度的運動，在X軸上的進退運動；在Y軸上的升沉運動；繞X旋轉的橫搖運動；繞Y軸旋轉的縱搖運動；繞Z軸旋轉的擺艏運動。
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設程序相結合，靠近水面時使用無線電波控制，水下按照預設程序工作。
5. 整體尺寸：結合前人研究，AUV體長與橫徑比在5~7范圍的流線型AUV外形結構能在很好的削弱阻力。出于穩(wěn)定性考慮，本課題設計采取1:6比例，1.5m * Φ25cm。
6. 最大續(xù)航能力：本文AUV預計最大續(xù)航能力2h。
技術指標表格如表2-1所示：
表2-1 AUV設計技術指標
水平航速（節(jié)）
1.5-3.5
運動自由度
5
工作深度及最大下潛深度（m）
20/25
航線控制方式
預設程序/無線電波
整體尺寸
1.5m*Φ25cm
最大續(xù)航時間（h）
2
2.1.2 AUV分層設計
AUV整體可依據(jù)功能劃分為7個部分，分別為推進器系統(tǒng)、舵、耐壓殼、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導航系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。
依據(jù)設計說明書的要求，將AUV整體結構的7個部分劃分為4個層級，作為設計的指導，優(yōu)先級依次遞減，如表2-2所示：
表2-2 AUV整體結構層級劃分
第一層級
耐壓殼的設計
第二層級
推進器系統(tǒng)、舵的設計
第三層級
能源系統(tǒng)的設計
第四層級
控制、導航、傳感器系統(tǒng)的設計
第一層級的耐壓殼設計與第二層級的推進器系統(tǒng)和舵的設計為主體設計，優(yōu)先完成；第三層級的能源系統(tǒng)初步設計，設置大體的重量以及空間；第四層級控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)的設計為預留空間，由需要使用此搭載平臺者自行完成。
2.2 AUV耐壓殼的設計
2.2.1 耐壓殼的整體形狀設計
耐壓殼體的整體設計必須參照各方各面以達到任務的要求：
1. 阻力小，航行性能好；
2. 具有足夠的強度；
3. 便于內(nèi)部結構的整體布置；
4. 良好的工藝性，方便加工。
無纜水下機器人由于其沒有電纜提供能源，出于減小行動阻力，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、流體運動阻力小，但重量-排水量比較高、內(nèi)部需要肋骨加強。
根據(jù)任務說明書，該AUV整體結構設計用于提供平臺，出于加工以及內(nèi)部空間、行程阻力考慮，采用魚雷型設計。下面對比不同魚雷外型對于AUV整體水下性能的影響，根據(jù)魚雷型的特點，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度最小，但會導致阻力過大；模型四的AUV形體，在特征長度較大的情況下還會導致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)部空間劃分設計
本設計采用魚雷型設計，頭部采用半圓形設計，尾部采用流線型過渡設計。AUV整體可以劃分為7個部分，考慮需要保證AUV的穩(wěn)定運行，應保持一定的穩(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作方式，初步設計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
舵機艙
圖 2-5 耐壓殼體內(nèi)部區(qū)域劃分
初步設計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)與導航系統(tǒng)以及前舵機，艙體3用于安裝能源系統(tǒng)與部分推進器系統(tǒng)，舵機艙用于安裝后舵機與部分推進器系統(tǒng)。
2.2.3 耐壓殼體的材料
目前高強度的鋁合金已經(jīng)廣泛用于制作中小型水下機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載能力。本次設計采用Al-Mg-Si系熱處理強化合金6061鋁合金，國內(nèi)牌號LD30，機械性能如下表2-3所示：
表2-3 機械性能
6061鋁合金
狀態(tài)
σb 兆帕
σ0.2 兆帕
σ％
HB
Tb
310
275
17
95
2.2.4 耐壓殼體的計算
耐壓殼體需要確保殼體的強度及形狀的穩(wěn)定性，水下的耐壓殼體厚度與曲率半徑之比很小，可以視作薄殼結構計算，以保證殼體的應力小于許用應力。
本次設計采用有限元分析的方法對于耐壓殼體進行靜態(tài)分析，同時分析其表面強度，分析過程及結果將在后文中提及。
本節(jié)主要進行耐壓殼體的穩(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，圓柱型殼體為長圓筒，可以忽略邊界對于穩(wěn)定性的影響，其壓扁時波數(shù)為2，臨界壓力僅與圓柱壁厚與圓柱的外徑之比有關，與其長度無關。反之，圓柱型殼體為短圓筒，必須考慮邊界對于殼體穩(wěn)定性的影響，臨界壓力與圓柱壁厚、圓柱長度、圓柱外徑皆有關。
本次設計AUV取壁厚5mm，截面直徑250mm，整體AUV艙體長取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）公式計算臨界壓力，實際工程上常用由米塞斯公式推導出的簡化公式拉姆公式（2-2）代替米塞斯公式計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、導航以及探測裝置，于水下進行作業(yè)時需要較高的封閉能力，保證沒有絲毫的泄露，確保機器里裝有的零件隔離水的侵蝕。同時耐壓殼體必須有可拆卸的封頭，自主航行器在結束指定任務之后，必須時常維護檢測。綜上，要求AUV封頭兩個表面進行安全可靠封閉。
本設計采用“接觸密封法”使用密封元件O型圈進行密封，O型圈在喪失變形復原性或初始的壓縮之前可進行更換，而且成本較低、耐腐蝕性好、壽命長、彈性好，具體設計如圖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，耐壓殼具有多個艙體，傳感器艙與艙體一、艙體3與舵機艙采用圖2-7與圖2-9所示的密封方式，舵機艙螺紋孔開在坡面；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 觀察窗的設計
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象的對應影像傳輸給攝像機鏡頭，同時觀察窗需要保持連接部位的密封性能。觀察窗玻璃其光學性能應當較好，不含條紋、內(nèi)應力等，能抵抗外部水壓并且外部不產(chǎn)生形變。
觀察窗具有三種結構形式，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)高彎曲應力，低壓面中心易產(chǎn)生裂紋；截錐形（圖2-11）是水下機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型圈高壓密封實現(xiàn)；球扇形（圖2-12）不改變視場角，沒有畸變和色散，即折射引起的光學失真，應力為均壓應力，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 觀察窗設計圖
綜合考慮本設計魚雷型AUV的頭部設計與觀察窗安裝問題，采用球扇形觀察窗，材料選用有機玻璃（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知，可以作為檢測依據(jù)及時更換觀察窗玻璃元件，觀察窗整體設計具體于圖2-13展示。
2.4 本章小結
本章就AUV的整體結構出發(fā)，研究AUV內(nèi)部系統(tǒng)，將其劃分為7個系統(tǒng)。根據(jù)設計任務任務說明書，將AUV的7個系統(tǒng)按在結構設計中的重要程度劃分為四個層級。完成了第一層級耐壓殼體的設計，其中包括耐壓殼體的形體設計、材料選用、分析計算以及密封設計，劃分內(nèi)部空間，為具體系統(tǒng)設計提供平臺。
3 AUV分層系統(tǒng)設計
3.1 AUV推進裝置與舵
推進器系統(tǒng)與舵為第二層級的設計，AUV整體的運動通過推進裝置與舵實現(xiàn)，并且含有很多的機械設計部分，是結構設計的關鍵部分。
3.1.1 推進器的排列設計
按照設計要求，水下自主航行器需要實現(xiàn)5個自由度的運動，考慮多種設計方案，可以采用多推進器的方式實現(xiàn)AUV的水下自由運動；可采用單推進裝置結合舵的形式實現(xiàn)設備的水下自由運動。
多推動裝置方式實現(xiàn)AUV的運動，可采用5個推動裝置，具體排列是為下圖3-1展現(xiàn)，通過操縱五個推動裝置工作狀態(tài)，停止、正轉與反轉以實現(xiàn)AUV五個自由度方向的運作。推進器3、5控制進退；推進器1、2、4控制升沉；推進器1、2控制橫搖；推進器1、2、4控制縱搖；推進器3、4控制擺艏。
1-推進器 2-推進器 3-推進器 4-推進器 5-推進器
圖3-1 推進方式1
1
2
5
3
4
單推進器配合舵機控制也可實現(xiàn)AUV的自由運動，采用四個舵配合推進器使用，如圖3-2所示，通過推進器5控制AUV的進退，通過舵機控制控制舵1、2與推進器5配合完成升沉與縱搖運動，通過舵機控制舵3、4與推進器5配合完成橫搖與擺艏運動。
1-前置舵 2-前置舵 3-后置舵 4-后置舵 5-推進器
圖 3-2 推進方式2
1
2
5
4
3
綜合考慮，選用第二種方案，該方案減小了運動的阻力，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 推進方式三維示意圖
3.1.2 推進器的選用
推進器系統(tǒng)可以選用多類推進器作為水下自主航行器的動力源提供航行所需的動能，初步考慮推進器種類有電機推進器，液壓推進器，噴水推進器與矢量推進器。
中小型的水下自主航行器廣泛采用電機推進器，直流電機成本較低，無刷直流電機隨著電子技術的發(fā)展，近年的使用日漸興起，運行可靠，維護簡單；液壓推進器具有良好的無極調(diào)速，并且易實現(xiàn)密封，成本低，安全性能好，多在大中型水下機器人中使用；噴水推進器利用高速水流反作用提供動力，水下機器人的操控較為簡單，但在水中雜物或者水草較多區(qū)域，易被賭賽影響航速；矢量推動裝置可以改變推進方向以及推進量，但要求較高。
綜合考慮，本文選擇電機推動裝置作為AUV的動力推進裝置，結合螺旋槳于尾部推動完成航行。
當水下自主航行器按照預設航速前進時，推力可根據(jù)下式（3-1）計算：
（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
代入得此推動需要的推動裝置功率是為：
取速度為4節(jié)，約合v=2m/s，代入計算得：
P=1/2*1000kg/m3*v3*A*0.8=114.51w
考慮電機帶動過程中的損耗，選用maxon的EC45，150w，24v，編號136198電機，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 推進系統(tǒng)與舵的設計
推進系統(tǒng)使用電機通過聯(lián)軸器帶動電機傳動軸運動，從而帶動螺旋槳運動，速度由控制模塊中預編程序或無線電波控制，如圖3-4所示。
圖3-4 推進器系統(tǒng)二維圖
電機連接軸為階梯軸，使用兩個角接觸滾動軸承進行限位，三維圖如圖3-5所示。
本文水下自主航行器通過推進器系統(tǒng)提供動力，由舵完成整體方向的控制，完成直行、變向等動作。
圖3-5 推進器系統(tǒng)三維圖
本次設計采用如圖3-2所示舵的布置，將調(diào)整AUV升沉的兩側舵置于中部近前端，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，更甚者會出現(xiàn)隨波逐流的現(xiàn)象，但滑翔器的設計巧妙的利用了物體的重力與浮力，使其轉化為驅(qū)動力，顯著減少了水下航行器航行所需的能量，航行時間能達到一年[11]。
圖3-6 舵機系統(tǒng)二維圖
圖3-7 舵機系統(tǒng)三維圖
本次設計將部分滑翔器的優(yōu)點與水下自主航行器相結合，可以在一定程度上減少水下自主航行器的能耗，增大續(xù)航時間。使用舵機齒輪驅(qū)動舵的運動，通過控制系統(tǒng)完成精確導控，具體由圖3-6展示。
舵機系統(tǒng)分為前后兩系統(tǒng)，傳動原理一致，前置舵機系統(tǒng)采用斜齒輪帶動，后置電機采用直齒輪帶動，三維圖如圖3-7所示。
舵機系統(tǒng)與螺旋槳系統(tǒng)是水下自主航行器的重要部分，為達到航行阻礙較小，本文將舵葉片設置為流線型，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舵角。
圖3-8 舵系統(tǒng)葉片示意圖
3.1.4 AUV推進系統(tǒng)與舵的密封設計
推進系統(tǒng)的密封設計采用密封圈加旋轉壓力密封的方式，殼體使用O型圈保證靜密封，軸部采用旋轉壓力密封加青銅進行動密封。如圖3-9，3-10。
舵系統(tǒng)密封與推進系統(tǒng)類似，采用O型圈以及旋轉壓力密封加青銅的密封方式，如圖3-11,3-12所示。
圖3-9 推進系統(tǒng)密封示意二維圖 圖 3-10 推進系統(tǒng)密封示意三維圖
O型圈
旋轉壓力密封
O型圈
旋轉壓力密封
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，機械力、速度、溫度與安裝方式等都會影響到密封的效果，所以對于密封件的密封槽加工精度要求較高，要求表面粗糙度達到1.6，以及同心度等。
3.2 能源系統(tǒng)設計
水下自主航行器與有纜水下機器人在能源補給方面截然不同，有纜水下機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自作業(yè)，需要自行攜帶能源系統(tǒng)，對于能源系統(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、維護費用高、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?。蝗剂想姵厥亲钚碌乃伦灾骱叫衅麟姵匕l(fā)展趨勢；鋰電池在國內(nèi)技術較其他電池成熟，且鋰電池比能高、循壞壽命長、自放電率低，本次設計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，整體設計考慮將能源系統(tǒng)劃分為7個模塊，電池組模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、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關系安裝[3]。
因設計人員水平有限以及時間原因，能源系統(tǒng)剩余設計其余系統(tǒng)本文不做過多設計，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計和制作時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. 在需保護的AUV表面，進行涂漆等操作隔絕腐蝕介質(zhì)；
3. 電化學保護；
4. 采用減輕腐蝕的結構設計。
本次設計采用的是6061合金，是一種具有較高耐腐蝕性的鋁合金，該材料會在表面生成一層氧化鋁薄膜，從而提高耐腐蝕性。另外，設計在AUV表面殼體上增加涂料涂層，對于鋁合金進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
本章根據(jù)第二章AUV分層設計，主要針對其中的第二以及第三層級進行設計。第二層級主要為推進裝置與舵的設計，包括推進器的排列、舵的設計，并給出原理圖，設計推進器以及舵的密封，涉及選用、設計等多方面；第三層級能源系統(tǒng)的設計。本章最后進行了AUV整體防腐蝕的設計，確保AUV在惡劣的工作環(huán)境下良好工作。
4 關鍵部分校核與分析
對于AUV的校核與分析，需要校核的部位有電機連接軸、舵機連接軸、AUV穩(wěn)心、舵、整體外形以及在水中的運動情況。
就AUV電機連接軸以及舵機連接軸與穩(wěn)心的校核，擬采用公式校核；對于電機連接軸、舵機連接軸、整體的靜態(tài)分析輔以solidworks有限元分析；對于水中動態(tài)分析采用基于ansys的有限元分析進行。
4.1 關鍵部位的校核
4.1.1 電機與舵機連接軸的校核
電機傳動軸主要受扭轉切應力，彎矩可忽略不計，對于此類軸可以使用以下公式（4-1）進行初步的校核：
（4-1）
其中，查得電機連接軸材料304鋼在100℃以下的扭轉切應力為137MPa，公式中：
τT–扭轉切應力，Mpa；
T - 軸所受的扭矩，N·mm；
WT –軸的抗扭截面系數(shù)，
其中，電機連接軸鍵槽是單鍵槽，單鍵槽抗扭截面系數(shù)WT的計算公式（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。
考慮電機極限情況堵轉時的轉矩，選用電機EC45堵轉轉矩為952mNm，代入計算得：
==952mNm/（）=40.715MPa<137MPa
經(jīng)校核，電機連接軸強度滿足條件，選用滿足AUV整體推動要求。
舵機連接軸的校核與電機連接軸類似，舵機連接軸不帶有鍵槽，使用下列公式（4-3）計算舵機連接軸的抗扭截面系數(shù)WT：
（4-3）
舵機連接軸d=0.008m；
代入計算得到：
==365mNm/=15.61MPa<137MPa
舵機連接軸符合要求，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)定運行，應保有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機器人穩(wěn)心高度應大于7cm，大型水下機器人應相應增大，本課題設計結構選用7cm。
本課題主要設計結構第一層級以及第二層級空氣中的質(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）計算：
（4-4）
計算得可提供68.8kg的浮力，浮心位置約在中軸線中部，已設計結構重心位置在中軸線靠后，可調(diào)整剩余結構使其重心靠近中部，重心偏下符合穩(wěn)心相對較高的設計要求。
4.2 基于solidworks的靜態(tài)分析
利用solidworks附帶的SimulationXpress功能進行有限元分析，首先對于被分析對象進行邊界條件的設定，添加夾具等，然后添加相應的力，再劃分網(wǎng)格進行分析。
4.2.1電機與舵機連接軸的分析
電機與舵機連接軸是設計的關鍵部位，上節(jié)進行了初步的分析，本節(jié)基于solidworks的有限元分析功能對其進行進一步的靜態(tài)分析。
電機在工作時的堵轉扭矩為952mN.m，將扭矩換算成于鍵槽面施加的力，取鍵槽中心位置，約合為238N。
首先對于電機連接軸施加扭矩，在此轉化為對于實體一端進行施力以達到與施加扭矩相同的效果。
舵機連接軸在被舵機帶動時，實際所需力較小，考慮安全因素，采用200N作為靜態(tài)分析的施加力。
電機連接軸、舵機連接軸都采用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
默認失敗準則:
未知
屈服強度:
206.807 N/mm^2
張力強度:
517.017 N/mm^2
SolidBody (電機連接軸)
對于電機連接軸、舵機連接軸（前置）、舵機連接軸（后置）進行網(wǎng)格劃分，劃分結果分別如表4-2所示：
電機連接軸（a）、前置舵機連接軸（b）、后置舵機連接軸（c）在SimulationXpress中的具體網(wǎng)格劃分示意如圖4-1所示。
表 4-2
電機連接軸
舵機連接軸（前置）
舵機連接軸（后置）
節(jié)點總數(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) 電機連接軸 b) 前置舵機連接軸 c) 后置舵機連接軸
圖 4-1
電機連接軸的靜態(tài)分析結果是為下圖4-2展現(xiàn)：
圖4-2 電機連接軸靜態(tài)分析
圖中凸起為方便施加扭矩所加，不影響分析結果，圖中變形為方便觀察所示，實際變形人眼無法觀測，分析結果表明，電機連接軸在堵轉時所受到的最大應力為184.286 N/mm^2 (MPa)，處于電機連接軸與螺旋槳連接處前的退刀槽，電機連接軸的屈服應力為206.807MPa，最大應力小于屈服應力，故電機連接軸設計符合強度要求。
在堵轉扭矩下的電機連接軸變形如圖4-3所示，最大變形處約為0.07mm。
圖4-3 電機連接軸變形示意圖
舵機連接軸（前置）與舵機連接軸（后置）的分析如表4-3所示：
表4-3 應力分析
名稱
類型
最小
最大
Stress
Stress
VON:von Mises 應力
VON:von Mises 應力
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 前置舵機連接軸受力示意圖
圖4-5后置舵機連接軸受力示意圖
最大應力位于退刀槽且其最大應力分別為134.767MPa、136.929MPa，小于極限應力206.807MPa，故兩電機連接軸強度符合要求。兩電機連接軸形變示意為下圖4-6、4-7。
圖4-6前置舵機連接軸變形示意圖
圖4-7后置舵機連接軸受力示意圖
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），三軸安全系數(shù)皆大于1，屬于安全可行設計，電機以及舵機連接軸滿足要求。
a) 電機連接軸 b) 前置舵機連接軸 c) 后置舵機連接軸
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，主要針對耐壓殼體的所受的壓力以及可能產(chǎn)生的形變。
首先，對于耐壓殼體進行載荷的施加，因為耐壓殼體所處環(huán)境為水下，所以耐壓殼體所受的壓力為全外表面。對于耐壓殼體外表面設定壓力為一般有限元分析中的邊界條件設定，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
載荷細節(jié)
壓力-1
實體:
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，對耐壓殼體進行網(wǎng)格劃分，因為solidworks有限元分析的限制，所以將網(wǎng)格密度提升以達到更精確的分析結果。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進行模擬運算，獲得對于AUV耐壓殼體的靜態(tài)分析結果。AUV的靜態(tài)應力如圖4-10所示。
圖4-10 AUV靜態(tài)分析
由圖可知，最大應力處為舵機艙與艙體3交界處，最大應力為6.714MPa，6061合金的最大屈服應力為55.148MPa，符合強度要求。圖中所示的變形為變形示意，真實變形為圖4-11數(shù)據(jù)所示，4-11圖中變形同為示意，為方便觀察所設立，實際變形情況以數(shù)據(jù)為準。
其中變形最大部位在AUV半圓形頭部，最大變形約為0.02843mm，實際設計中內(nèi)部各艙體連接處具有肋骨支撐，防止其變形。
整體結構安全系數(shù)如圖4-12所示（紅＜安全系數(shù)=1＜藍）：
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，屬于安全可行設計，滿足強度要求。
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AUV舵設置邊界條件，舵所受壓力為0.296MPa，邊界條件設置如下圖4-13所示：
邊界條件確定，對舵采用網(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進行模擬計算舵1以及舵2在受到水下20m處靜態(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），整體安全系數(shù)大于1，屬于安全可行設計。
4.3 基于Ansys Workbench的AUV動態(tài)分析
Ansys在12版本開始，已經(jīng)集成了fluent的流場分析功能，本文使用ansys的workbench集成模塊進行水下自主航行器的動態(tài)分析，主要分析其在航行時的受壓以及流場特性，AUV的航速設計指標為1.5-3.5節(jié)，考慮水流速度的影響，分析時取流場相對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AUV進行分析，首先加載Fluid Flow(CFX)模塊，于Geometry中加載solidworks中導出的STEP文件，完成AUV整體外形的導入工作，然后使用Mesh對AUV模型進行網(wǎng)格的劃分，Meshing對于網(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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