自治水下機(jī)器人(AUV)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析.pdf

1、海洋蘊(yùn)藏著豐富的自然資源,有效地開發(fā)利用海洋資源對人類未來生存和發(fā)展具有十分重要的意義,水下機(jī)器人是認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋必不可少的重要手段。作為水下機(jī)器人的一個重要分支——自治水下機(jī)器人(AUV),因其具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、活動范圍大、使用方便等諸多優(yōu)勢,逐漸成為當(dāng)今研究的熱門領(lǐng)域。
　　 本文根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)指標(biāo),在第一代開架式AUV的基礎(chǔ)上,完成第二代AUV原型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,涉及的部分包括有耐壓艙設(shè)計、推進(jìn)器排列設(shè)計、攝像機(jī)

2、間距調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計、整體布局設(shè)計以及結(jié)構(gòu)的材料選擇。此外鑒于AUV工作環(huán)境復(fù)雜,而耐壓艙的壁厚設(shè)計對于整體AUV的安全起到至關(guān)重要的作用,本文對于耐壓艙壁厚進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計,具體方法為:在判別圓筒的屬性后,選擇經(jīng)驗公式,采用試算的方法進(jìn)行設(shè)計計算,而后運(yùn)用COSMOSWorks軟件進(jìn)行靜力分析,得出分析圖像,進(jìn)行強(qiáng)度的校核,保證了耐壓艙的安全性及AUV設(shè)計的可靠性。
　　 為了更好的研究AUV運(yùn)行中阻力及流動情況,本文選用CFD分

3、析軟件FLUENT進(jìn)行了一系列的水動力分析等工作。由于AUV自身攜帶能源有限,所以為了提高能源利用率,本文設(shè)計的AUV采用流線型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)通過流線型導(dǎo)流罩外殼實(shí)現(xiàn)。為了最大限度的降低能源損耗,本文進(jìn)行了導(dǎo)流罩外殼的形狀優(yōu)化設(shè)計。在已有框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,確定了所需滿足的基本尺寸,通過流線型和半圓型過渡在頭部和尾部的不同組合,形成四種導(dǎo)流罩模型,而后運(yùn)用FLUENT分別對四種模型進(jìn)行仿真模擬,得出它們的阻力及各項阻力系數(shù),通過比較模型

4、間不同阻力的變化,并綜合模型尺寸的影響,選出最優(yōu)模型,完成AUV導(dǎo)流罩的優(yōu)化設(shè)計。至此完成AUV虛擬樣機(jī)的設(shè)計。
　　 對設(shè)計完成的AUV進(jìn)行三維水動力仿真,模擬AUV周圍粘性流場的情況。首先采用5種不同的網(wǎng)格模型,分別在三種湍流模型下進(jìn)行模擬計算,經(jīng)過與經(jīng)驗公式計算值的比較分析,并綜合考慮計算速度等因素,得出最佳網(wǎng)格模型與最佳湍流計算模型,并以此作為后續(xù)仿真的基本條件。而后分別進(jìn)行了不同運(yùn)行速度下、不同工作深度下、不同雷諾數(shù)下