船舶與海洋工程進(jìn)展

1、船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程進(jìn)展（小論文）學(xué) 號(hào)：S313010019專 業(yè)：船舶與海洋工程學(xué)生姓名：潘 茂 華任課教師: 龐永杰 教授2013年12月水下機(jī)器人的發(fā)展及設(shè)計(jì)潘茂華哈爾濱工程大學(xué)摘 要：21世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)，深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng) 域，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。水下機(jī)器人作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),集成了人工智能、水下目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別、數(shù)據(jù)融合、智能控制以及導(dǎo)航和通信各子系統(tǒng),是一個(gè)可以在復(fù)雜海洋環(huán)境中執(zhí)行各種軍用和民用任務(wù)的平臺(tái).本文著重介紹了水下機(jī)器人的發(fā)展史和設(shè)計(jì),主要考慮了水動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)未來的發(fā)展提出了自己的看法。

2、關(guān)鍵字：水下機(jī)器人 人工智能 推進(jìn) 1水下機(jī)器人的研究背景隨著現(xiàn)代社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類的活動(dòng)范圍日益擴(kuò)大。目前地球表面與太空領(lǐng)域已在很大程度上被人類開發(fā)利用，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，而同樣與人類密切相關(guān)的海洋尚處于待開發(fā)狀態(tài)。海洋這一廣闊的水域，蘊(yùn)藏著豐富的礦物資源、海洋生物資源和海水化學(xué)能源，是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要財(cái)富。研究和合理開發(fā)海洋，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。何況，目前地球生態(tài)環(huán)境日益惡化，人類也必須更好地使占地球面積接近四分之三的海洋免受環(huán)境污染，從而高效地利用它來造福人類。21世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)，深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng) 域，已經(jīng)成為各

3、國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。在各種海洋技術(shù)中，作為用在一般潛水技術(shù)中不可能到達(dá)的深度進(jìn)行綜合考察和研究并能完成多種作業(yè)的水下機(jī)器人的出現(xiàn)，標(biāo)志著海洋開發(fā)進(jìn)入了新時(shí)代。水下機(jī)器人是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機(jī)械或其他工具代替或輔助人類去完成水下工作任務(wù)的裝置。它作為一種高技術(shù)手段，在海洋的開發(fā)與利用中扮演著極其關(guān)鍵的角色，其重要性不亞于飛船、火箭在探索宇宙空間中的作用。由于海洋勘察任務(wù)相當(dāng)復(fù)雜，水下實(shí)施作業(yè)各不相同，所以水下機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造、動(dòng)作原理、使用目的也多種多樣。水下機(jī)器人有很多不同的分類方法，其中按照與母船之間有無電纜可分為有

4、纜水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）和無纜水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV）。有纜水下機(jī)器人又稱遙控水下機(jī)器人，是通過電纜由母船向水下潛器提供動(dòng)力和實(shí)施遙控的；無纜水下機(jī)器人又稱自治式水下機(jī)器人，它自帶動(dòng)力，依靠自身攜帶的計(jì)算機(jī)和嵌入式機(jī)器智能來執(zhí)行航行任務(wù)。小型遙控水下機(jī)器人已廣泛用于以下幾個(gè)方面：管道容器檢查：市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫(kù)檢查；排污/排澇管道、下水道檢查；洋輸油管道檢查；跨江、跨河管道檢查船舶河道海洋石油：船體檢修；水下錨、推進(jìn)器、船底探查；碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；航

5、道排障、港口作業(yè)；鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程；科學(xué)研究教學(xué)：；水環(huán)境、水下生物的觀測(cè)、研究和教學(xué)；海洋考察；冰下觀察水下娛樂：水下電視拍攝、水下攝影；潛水、劃船、游艇；看護(hù)潛水員，潛水前合適地點(diǎn)的選擇能源：核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測(cè)和取出；水電站船閘檢修；水電大壩、水庫(kù)堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)安全：檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況；遙控偵察、危險(xiǎn)品靠近檢查；水下基陣協(xié)助安裝/拆卸；船側(cè)、船底走私物品檢測(cè)(公安、海關(guān))；水下目標(biāo)觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等；搜尋水下證據(jù)(公安、海關(guān))；海上救助打撈、近海搜索；考古：水下考古、水下沉船考察漁業(yè)：深水網(wǎng)箱

6、漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調(diào)查無人無纜潛水器尚處于研究、試用階段，還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。無人無纜潛水器將向遠(yuǎn)程化、智能化發(fā)展，其活動(dòng)范圍在2505000公里的半，徑內(nèi)。這就要求這種無人無纜潛水器有能保證長(zhǎng)時(shí)間工作的動(dòng)力源。在控制和信息處理系統(tǒng)中，采用圖像識(shí)別、人工智能技術(shù)、大容量的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密的導(dǎo)航定位的隨感能力等。如果這些問題都能解決了，那么無人無纜潛水器就能是名副其實(shí)的海洋智能機(jī)器人。海洋智能機(jī)器人的出現(xiàn)與廣泛使用，為人類進(jìn)入海洋從事各種海洋產(chǎn)業(yè)活動(dòng)提供了技術(shù)保證。2水下機(jī)器人的歷史發(fā)展1988年，美國(guó)國(guó)防部的國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局與一家研究機(jī)構(gòu)合作，投資2360萬美

7、元研制兩艘無人無纜潛水器。1990年，無人無纜潛水器研制成功，定名為“UUV”號(hào)。這種潛水器重量為6.8噸，性能特別好，最大航速10節(jié)，能在44秒內(nèi)由0加速到10節(jié)，當(dāng)航速大于3節(jié)時(shí)，航行深度控制在土1米，導(dǎo)航精度約0.2節(jié)/小時(shí)，潛水器動(dòng)力采用銀鋅電池。這些技術(shù)條件有助于高水平的深海研究。另外，美國(guó)和加拿大合作將研制出能穿過北極冰層的無人無纜潛水器。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在1993年前，這種穿越北極冰層的無人無纜潛水器將會(huì)問世，美國(guó)將建造兩艘，英國(guó)也建造兩艘，瑞典將建造一艘。無人有纜潛水器的研制開始于70年代，80年代進(jìn)入了較快的發(fā)展時(shí)期。日本 1987年，日本海事科學(xué)技術(shù)中心研究成功深海無人遙控潛水器“

8、海鲀3K”號(hào)，可下潛3300米。研制“海鲀3K”號(hào)的目的，是為了在載人潛水之前對(duì)預(yù)定潛水點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查而設(shè)計(jì)的，供專門從事深海研究的，同時(shí)，也可利用“海鲀3K”號(hào)進(jìn)行海底救護(hù)?！昂ｗ?K”號(hào)屬于有纜式潛水器，在設(shè)計(jì)上有前后、上下、左右三個(gè)方向各配置兩套動(dòng)力裝置，基本能滿足深海采集樣品的需要。1988年，該技術(shù)中心配合“深海6500”號(hào)載人潛水器進(jìn)行深海調(diào)查作業(yè)的需要，建造了萬米級(jí)無人遙控潛水器。這種潛水器由工作母船進(jìn)行控制操作，可以較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行深海調(diào)查。這種潛水器可望在1992年內(nèi)建成，總投資為40億日元。日本對(duì)于無人有纜潛水器的研制比較重視，不僅有研究項(xiàng)目，而且還有較大型的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。如今，日本正

9、在實(shí)施一項(xiàng)包括開發(fā)先進(jìn)無人遙控潛水器的大型規(guī)劃。這種無人有纜潛水器系統(tǒng)在遙控作業(yè)、聲學(xué)影像、水下遙測(cè)全向推力器、海水傳動(dòng)系統(tǒng)、陶瓷應(yīng)用技術(shù)水下航行定位和控制等方面都要有新的開拓與突破。這項(xiàng)工作的直接目標(biāo)是有效地服務(wù)于200米以內(nèi)水深的油氣開采業(yè)，完全取代由潛水人員去完成的危險(xiǎn)水下作業(yè)。歐洲 在無人有纜潛水技術(shù)方面，始終保持了明顯的超前發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)歐洲尤里卡計(jì)劃，英國(guó)、意大利將聯(lián)合研制無人遙控潛水器。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250小時(shí)，比正在使用的只能在水下4000米深度連續(xù)工作只有l(wèi)2小時(shí)的潛水器性能優(yōu)良的多。按照尤里卡EU-191計(jì)劃還將建造兩艘無人遙控潛水器，一艘

10、為有纜式潛水器，主要用于水下檢查維修；另一艘為無人無纜潛水器，主要用于水下測(cè)量。這項(xiàng)潛水工程計(jì)劃將由英國(guó)；意大利、丹麥等國(guó)家的l7個(gè)機(jī)構(gòu)參加。英國(guó)科學(xué)家研制的“小賈森”有纜潛水器有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，它是采用計(jì)算機(jī)控制，并通過光纖溝通潛水器與母船之間的聯(lián)系。母船上裝有4臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，分別用于處理海底照相機(jī)獲得的資料，處理監(jiān)控海彈環(huán)境變化的資料，處理海面環(huán)境變化的資料，處理由潛水器傳輸回來的其他有關(guān)技術(shù)資料等。母船將所有獲得的資料。經(jīng)過整理，通過微波發(fā)送到加利福尼亞太平洋格羅夫研究所的實(shí)驗(yàn)室，并貯存在資料庫(kù)里。法國(guó) 1980年法國(guó)國(guó)家海洋開發(fā)中心建造了“逆戟鯨”號(hào)無人無纜潛水器，最大潛深為6000

11、米?！澳胬述L”號(hào)潛水器先后進(jìn)行過130多次深潛作業(yè)，完成了太平洋海底錳結(jié)核調(diào)查海底峽谷調(diào)查、太平洋和地中海海底電纜事故調(diào)查、洋中脊調(diào)查等重大課題任務(wù)。1987年，法國(guó)國(guó)家海彈開發(fā)中心又與一家公司合作，共同建造“埃里特”聲學(xué)遙控潛水器。用于水下鉆井機(jī)檢查、海底油機(jī)設(shè)備安裝、油管輔設(shè)、錨纜加固等復(fù)雜作業(yè)。這種聲學(xué)遙控潛水器的智能程度要比“逆戟鯨”號(hào)高許多。3中國(guó)水下機(jī)器人的發(fā)展概況1977年召開的中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)學(xué)科規(guī)劃會(huì)議將發(fā)展機(jī)器人項(xiàng)目列入規(guī)劃。蔣新松院士在當(dāng)年組團(tuán)赴日考察回國(guó)后提出了發(fā)展水下機(jī)器人的設(shè)想。從此，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所鎖定了“下海”為海洋開發(fā)服務(wù)，搞智能機(jī)器在海洋中的應(yīng)用研究的戰(zhàn)略

12、目標(biāo)，決心“要下五洋捉鱉”。1983年該項(xiàng)課題正式列為中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)課題，開創(chuàng)了智能機(jī)器人科研領(lǐng)域，為水下機(jī)器人的研究開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 二十年來，“水下機(jī)器人”由院重點(diǎn)，進(jìn)而持續(xù)列入“六五”、“七五”、“八五”、“九五”和“十五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，成為國(guó)家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題項(xiàng)目的重點(diǎn)內(nèi)容。RECON-IV水下機(jī)器人具有較強(qiáng)功能和可靠性，已成為國(guó)際知名品牌，生產(chǎn)的多臺(tái)設(shè)備出口國(guó)際市場(chǎng)，還有的長(zhǎng)年在為南海石油鉆井平臺(tái)提供技術(shù)服務(wù)；“海潛一號(hào)”和“金魚號(hào)”輕型水下機(jī)器人在沿海和內(nèi)湖地區(qū)的水下探查、考古等作業(yè)起到重要作用；“海潛二號(hào)”水下機(jī)器人以其強(qiáng)作業(yè)功能為國(guó)家安全提供了有力的技術(shù)支持；

13、用于海底光纜埋設(shè)的爬行式水下機(jī)器人；“海星號(hào)”是我國(guó)第一臺(tái)海底自走式海纜埋設(shè)機(jī)，目前已完成研制工作并投入實(shí)際應(yīng)用。 作為總體單位在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下完成的潛深1000米“探索者”和潛深6000米“CR-01”、“CR-02”無纜自治水下機(jī)器人標(biāo)志著我國(guó)自治水下機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。6000米水下機(jī)器人工程項(xiàng)目是國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目的重中之重。1995年8月，與俄羅斯合作研制的6000米水下機(jī)器人完成深海試驗(yàn)。1996年8月起正式實(shí)施了水下6000米自治機(jī)器人的工程化項(xiàng)目。其目標(biāo)是為中國(guó)大洋協(xié)會(huì)進(jìn)行大洋調(diào)查提供水下6000米自治機(jī)器人實(shí)用樣 機(jī)。有關(guān)專家認(rèn)為，該水下機(jī)器人是目前

14、世界上最先進(jìn)的洋底探測(cè)設(shè)備。CR系列高性能水下機(jī)器人能進(jìn)行六千米深水錄像、拍照和海底地勢(shì)與剖面測(cè)量、水文測(cè) 量、海底多金屬結(jié)核豐度測(cè)定，海底沉物目標(biāo)搜索和觀察，自動(dòng)記錄各種數(shù)據(jù)包括圖像和機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)軌跡及其坐標(biāo)位置，還可按預(yù)編程航行和工作，自動(dòng)避障， 具有故障自診斷和應(yīng)急上浮功能，并能提供指令遙控。這表明，中國(guó)已有圓滿解決這些高技術(shù)的能力和手段，而且已進(jìn)入洋底多金屬結(jié)核資源探測(cè)應(yīng)用的實(shí)用階段。 6000米水下機(jī)器人的研制成功，使中國(guó)一躍成為世界上具有研制這種自治水下機(jī)器人能力的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一，它可到達(dá)世界上除海溝之外的全部海底區(qū)域，即 全部有經(jīng)濟(jì)前景的海底，占海洋面積的98，為中國(guó)進(jìn)軍國(guó)際

15、海洋區(qū)域、開發(fā)大洋資源提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段和工具。該所目前正在研制潛深7000米水下載人機(jī)器人又被稱作“海底衛(wèi)星”，預(yù)計(jì)將在2005年投入使用。這意味著中國(guó)將擁有對(duì)包括深海海溝在內(nèi) 的復(fù)雜海域進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)的能力，中國(guó)開發(fā)海洋資源的步伐將大大加快。目前，世界上只有俄羅斯、美國(guó)、日本等國(guó)家擁有類似潛深的水下載人機(jī)器人。目前蛟龍?zhí)栞d人潛水器完成7000米級(jí)海試第五次下潛試驗(yàn)后安全返回，本次下潛最大深度達(dá)到7062.68米，超過上次下潛深度43米，創(chuàng)造中國(guó)載人潛水器的新紀(jì)錄。4水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)及技術(shù)水下無纜自治機(jī)器人的研制，涉及到自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、水聲、深潛、水動(dòng)力、材料、能源等各種專業(yè)，需要解決水中

16、通訊、高壓密封、自主航行控制、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、各種信息的采集和處理、特種材料以及可靠性等高技術(shù)。4.1水動(dòng)力性能分析國(guó)際上對(duì)六自由度（DOF）水下機(jī)器人在水中的位置、姿有一套標(biāo)準(zhǔn)的矢量符號(hào)。表3-1給出了SNAME表示法的力與moments）、速度（Velocities）和位置（Position）的定義。進(jìn)退（Surge）：沿x軸的直線運(yùn)動(dòng)，沿x軸正向的運(yùn)動(dòng)稱為前進(jìn)，反之稱為后退側(cè)移（Sway）：沿y軸的直線運(yùn)動(dòng)，也稱橫移，沿y軸正向的運(yùn)動(dòng)稱為右移，反之稱為左移潛?。℉eave）：沿z軸的直線運(yùn)動(dòng)，沿z軸正向的運(yùn)動(dòng)稱為下潛，反之稱為上浮橫搖（Roll）：以x軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，也稱橫傾，橫傾角

17、右傾為正，反之為負(fù)縱傾（Pitch）：以y軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，縱傾角抬艏（即尾傾）為正，反之為負(fù)回轉(zhuǎn)（Yaw）：以z軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，也稱搖艏，艏向角右轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)通常情況下，以上矢量可表示為：在面對(duì)水下機(jī)器人的推導(dǎo)中，為了計(jì)算水下機(jī)器人的位移和方向，進(jìn)行變換矩陣以及線速度和角速度的計(jì)算時(shí)假設(shè)機(jī)器人的線加速度和角加速度是已知的。但在實(shí)際情況下，它們?nèi)Q于作用于機(jī)器人上的力與力矩的大小。研究水動(dòng)力特性有兩方面的意義：一是從操縱性的角度研究水下機(jī)器人載體的穩(wěn)定性和快速性；二是在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要考慮水動(dòng)力的影響，以便建立水下機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型。水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)可分為兩部分：剛體力和水動(dòng)力與力矩。剛體

18、可以看成由許多質(zhì)點(diǎn)組成的一個(gè)系統(tǒng)，在其作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度等線量是可以各不相同的，但是各質(zhì)點(diǎn)的角位移、角速度和角加速度等角量卻是相同的。掌握剛體運(yùn)動(dòng)的這種特性是動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)，因?yàn)榻橇渴莿傮w整體運(yùn)動(dòng)特征的描述，而線量則是剛體上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述。剛體力與力矩滿足以下公式：水動(dòng)力阻力對(duì)六自由度水動(dòng)力阻力與力矩進(jìn)行精確建模是一項(xiàng)比較困難的任務(wù)，特別是對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行速度控制。當(dāng)前進(jìn)速度充分大的時(shí)候，非線性動(dòng)力學(xué)成為主要因素，而且自由度之間的耦合效應(yīng)非常大。實(shí)際上，為了描述總的水動(dòng)力阻力，大量水動(dòng)力升力和阻力系數(shù)的存在是必要的。即使通過廣泛流域測(cè)試和海上試航，這也是一個(gè)相當(dāng)

19、繁瑣的過程。因此，研究者通常通過經(jīng)驗(yàn)公式的組合、模型試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）來計(jì)算阻力系數(shù)。然而，有些經(jīng)驗(yàn)公式卻不適用于六自由度水動(dòng)力系統(tǒng)，所以結(jié)合流體理論的方法應(yīng)運(yùn)而生。包含了主要阻力因素的整體阻力矩陣可以寫成：恢復(fù)力與力矩在流體力學(xué)理論中，重力和浮力的合力被稱作是恢復(fù)力。重力作用在機(jī)器人的重心。同樣，浮力也作用在中心位置。恢復(fù)力會(huì)在沿機(jī)器人的軸向上產(chǎn)生分力。定義了淹沒在水下部分的重力，是重力加速度，浮力可以用?表示，?為機(jī)器人排出水的體積。在本研究中，可以零浮力化，即。因此，水下機(jī)器人的橫搖（Roll）、縱傾（Pitch）和回轉(zhuǎn)（Yaw）產(chǎn)生的恢復(fù)力與力矩可以通過式3-17表述：4.

20、2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，一般先通過經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)各類結(jié)構(gòu)件和部件進(jìn)行構(gòu)圖設(shè)計(jì)、鑄模制作，進(jìn)而通過實(shí)際試驗(yàn)的方法檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，最后對(duì)不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化后重新加工試制。這不僅使產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)效率低下，同時(shí)也浪費(fèi)了一定的人力、物力。而集成了CADCAECAMPDM等先進(jìn)功能的Solidworks 三維實(shí)體設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)，不僅具有三維和二維圖的繪制功能，而且具有有限元分析、流體分析和運(yùn)動(dòng)分析等強(qiáng)大的輔助功能。因此，將Solidworks應(yīng)用于水下機(jī)器人設(shè)計(jì)，將會(huì)提高設(shè)計(jì)者效率，避免設(shè)計(jì)工作中的重復(fù)和浪費(fèi)。Solidworks 中具有結(jié)構(gòu)分析功能的插件是Solidworks Simulati

21、on，該插件是一款基于有限元（FEA 數(shù)值）技術(shù)的分析軟件，通過與Solidworks 的無縫集成，在工程實(shí)踐中發(fā)揮了越來越大的作用。Solidworks Simulation 是專為Windows 操作系統(tǒng)開發(fā)的，功能強(qiáng)大，易學(xué)易用。運(yùn)用Simulation 插件，普通的工程師就可以進(jìn)行工程分析，并可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)。Solidworks Simulation 基本模塊能夠提供廣泛的分析工具，來檢驗(yàn)和分析復(fù)雜零件和裝配體，能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析等。下面通過兩個(gè)方面的分析應(yīng)用，來說明這個(gè)仿真插

22、件的用途。水下機(jī)器人的耐壓殼體，是各類電子設(shè)備在水下的保護(hù)體，必須具有足夠的強(qiáng)度來承受海水壓力，確保內(nèi)部設(shè)備的安全。大多數(shù)的水下機(jī)器人耐壓殼體，為球型和圓筒型，實(shí)際使用中可視為承受外部壓力的壓力容器，其受力破壞形式為強(qiáng)度破壞和屈曲失穩(wěn)。在水下機(jī)器人耐壓殼體設(shè)計(jì)中，一般先根據(jù)殼體內(nèi)安裝設(shè)備要求確定艙內(nèi)直徑，然后采用經(jīng)驗(yàn)公式確定殼體的壁厚，最后用壓力容器設(shè)計(jì)校核理論，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各類強(qiáng)度校核。整個(gè)過程中的強(qiáng)度校核，采用傳統(tǒng)理論方法相當(dāng)繁瑣，利用Solidworks 的結(jié)構(gòu)分析功能，將使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核變得簡(jiǎn)單、快捷。以圓筒型耐壓殼體為例：圓筒長(zhǎng)度L = 800 mm；直徑D = 500 mm；殼體材料選

23、用5454 鎂鋁合金（彈性模量E = 70GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度180 MPa）；設(shè)水下機(jī)器人最大潛深1 000 m，則計(jì)算壓力值P1 = 101.2 = 12 MPa（安全系數(shù)取1.2）。根據(jù)水下耐壓圓柱殼體臨界壓力計(jì)算公式拉姆公式圖1 水下推進(jìn)器安裝方式圖，2 推進(jìn)器支撐架簡(jiǎn)化圖，圖3 支撐架應(yīng)力初步分析，圖4 優(yōu)化前后的模型對(duì)比運(yùn)行優(yōu)化算例，得到最終的優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示，優(yōu)化后的最大von Mises 應(yīng)力為156.87 MPa，筒壁厚度t = 24.5 mm。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可以看出，若圓筒耐壓殼體中間不考慮設(shè)置加強(qiáng)肋，則其筒壁厚度設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證t 24.5 mm。Solidw

24、orks 結(jié)構(gòu)分析插件Simulation，可直接對(duì)Solidworks 三維模型進(jìn)行各類應(yīng)力、應(yīng)變分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)中用于結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核、尺寸優(yōu)化具有顯著優(yōu)勢(shì)，避免了繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，并且更加接近于實(shí)際工況。4.3動(dòng)力4.3.1螺旋槳推進(jìn)船舶推進(jìn)器的種類很多，最古老的要算篙了，它可撐著船前進(jìn)。后來又發(fā)明了槳和櫓，它們一直沿用至今。隨后是利用風(fēng)帆作為推進(jìn)工具，出現(xiàn)了多種形式的帆船。隨著機(jī)器在船上的應(yīng)用，就出現(xiàn)了明輪推進(jìn)器。19世紀(jì)初出現(xiàn)了螺旋槳推進(jìn)器。為了證明螺旋槳的優(yōu)越性, 英國(guó)海軍組織了一場(chǎng)有趣比賽:把動(dòng)力相當(dāng)?shù)摹绊懳采咛?hào)”螺旋槳輪船和“愛里克托號(hào)”明輪進(jìn)行了競(jìng)賽。兩艘船的船

25、尾用粗纜繩系起來，讓它們各朝相反的方向駛?cè)??！绊懳采咛?hào)”的螺旋槳飛快地旋轉(zhuǎn)，“愛里克托號(hào)”的明輪猛烈地向后撥水。先是互不相讓，但過了一會(huì)兒，“響尾蛇號(hào)”就把“愛里克托號(hào)”拖走了。這場(chǎng)比賽證明了螺旋槳的優(yōu)越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。螺旋槳俗稱車葉，由若干槳葉所組成。槳葉的數(shù)目通常為三葉、四葉或五葉，各葉片之間相隔的角度相等。螺旋槳通常裝在船的尾部，螺旋槳與艉軸的連接部分稱為轂，槳葉就固定在轂上。有船尾向船首看時(shí)，所看到的螺旋槳槳葉的一面稱為葉面（壓力面），另一面稱為葉背（吸力面）。槳葉的外端為葉梢，而與轂的連接處稱為葉根。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)葉梢的圓形軌跡為梢圓，此圓稱為螺旋槳槳盤，直徑稱為螺旋

26、槳直徑，其面積稱為盤面積。螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時(shí)，有船尾向船首看所見到的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向的稱為右旋槳，反之為左旋槳。雙槳船的螺旋槳裝在船尾二側(cè)，正常旋轉(zhuǎn)時(shí)，若其上都向著船中線轉(zhuǎn)動(dòng)的稱為內(nèi)旋槳，反之為外旋槳。螺旋槳直徑的大小往往受到船舶吃水的限制。一般來說，螺旋槳直徑愈大轉(zhuǎn)速愈低，其效率愈高。螺旋槳與船的尾框要有良好的配合，避免葉尖露出水面而影響效率。螺旋槳船體間隙要適當(dāng)，以避免引起嚴(yán)重的振動(dòng)。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，把水往后推。根據(jù)力的作用與反作用的原理，水給螺旋槳以反作用力，這就是推力，推船前進(jìn)。螺旋槳的運(yùn)動(dòng)情況同螺釘?shù)倪\(yùn)動(dòng)情況極為相似。把螺釘旋轉(zhuǎn)一圈，它就在螺帽中向前推進(jìn)一段距離，這段距離稱為螺距。螺

27、旋槳的槳葉葉面（壓力面）通常是螺旋面的一部分，就像螺釘?shù)穆菁y的一部分那樣，不過螺旋槳是在水中運(yùn)動(dòng)的，水取代的螺帽的地位。4.3.2噴水推進(jìn)噴水式推進(jìn)器是利用噴射管噴出的高速水流的反作用提供推力的一種推進(jìn)裝置, 多用于中小型高速船舶上. 使用噴水推進(jìn)器的水下機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是幾乎取消了其上的全部附體, 而且消除了螺旋槳的空泡損失, 較容易操縱 3 . 目前使用的噴水推進(jìn)器一般由水泵和管系組成, 水泵一般選擇軸流泵、離心泵和混流泵. 噴水推進(jìn)器的管系包括進(jìn)水管、噴水管和整流片等, 管道會(huì)消耗部分能量.對(duì)船舶用噴水推進(jìn)器沖洗型進(jìn)水管內(nèi)水流產(chǎn)生的渦流進(jìn)行了分析, 驗(yàn)證有7% 9%的能量損失在流動(dòng)分離上.

28、而且由于增加了管道中水的重量, 使得艦船排水量增加, 不適用于小型水下機(jī)器人. 同時(shí), 傳統(tǒng)噴水推進(jìn)器價(jià)格較高, 更換推進(jìn)水泵的葉輪較為復(fù)雜。提出一種利用行星齒輪傳動(dòng)的雙作用四柱塞液壓泵. 它不同于現(xiàn)有柱塞泵由凸輪、曲柄連桿或斜盤實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式, 沒有滑靴等高壓力作用下高速滑移的元件, 工作穩(wěn)定, 使用壽命長(zhǎng). 本文提出一種利用行星輪系推進(jìn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泵和管系結(jié)合起來的噴水式推進(jìn)器, 沒有復(fù)雜的附屬裝置,能夠降低水下機(jī)器人自身的重量, 提高推進(jìn)器綜合效率.4.3.3溫差推進(jìn)海洋能通常是指海洋本身所蘊(yùn)藏的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能和化學(xué)能，不包括海底或海底下儲(chǔ)存的煤、

29、石油、天然氣等化石能源和“可燃冰”，也不包含溶解于海水中的鈾、鋰等化學(xué)能源。海洋能有如下特點(diǎn)：（1）可在生性，由于海水潮汐、海流和波浪等運(yùn)動(dòng)周而復(fù)始，永不休止，所以海洋能是可再生能源；（2）屬于一種純凈能源；（3）能量多變，具有不穩(wěn)定性，運(yùn)用起來比較困難；（4）總量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，利用效率不高，經(jīng)濟(jì)性差。海洋總面積為3.61億Km，約占全球總面積的71，海洋儲(chǔ)水量約為全球總水量的97，太陽(yáng)恩賜給地球的熱能，大部分被海水吸收和儲(chǔ)存，因此，海洋是最大的太陽(yáng)能收集器，海水中的海洋能蘊(yùn)藏量也就十分巨大。具權(quán)威人士計(jì)算，全世界海洋能的理論可再生量超過760億KW，其中，溫差能約400

30、億KW，鹽差能300億KW，潮汐能大于30億KW，波浪能約30億KW。僅6000萬Km。熱帶海洋一天也能吸收相當(dāng)于2500億桶石油熱量的太陽(yáng)輻射能，若將其中的1轉(zhuǎn)化為電力，也將有140億KW的裝機(jī)容量。自治沉浮式水下機(jī)器人的溫差能驅(qū)動(dòng)裝置的基本原理如圖2-1所示。驅(qū)動(dòng)裝置利用溫差變化，通過工作液體的液固兩相轉(zhuǎn)換而改變浮力以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。水下機(jī)器人在升沉過程中，裝置從溫暖的表層海水中吸收能量；當(dāng)其達(dá)到深水中，由于溫度降低而將能量釋放出來。這就引起了裝置內(nèi)部工作液體狀態(tài)發(fā)生變化,液體狀態(tài)變化導(dǎo)致其體積變化。體積變化提供了裝置質(zhì)量恒定狀態(tài)下足夠的浮力變化，這使得裝置能以一定的速度上升和下降。浮力的這

31、種變化，來源于溫差能源，是水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的主要能源。具體而言，驅(qū)動(dòng)能量是由能量交換器（1）液態(tài)工作介質(zhì)中的熱量流入或流出獲得，液態(tài)工作介質(zhì)在凝固時(shí)收縮，而在融化時(shí)膨脹。膨脹和收縮時(shí)所獲得的體積變化能過傳導(dǎo)液體(可選擇乙烯乙二醇)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行傳遞。工作腔（2）是一個(gè)儲(chǔ)能器，里面裝有氮?dú)夂蛡鲗?dǎo)液體，氮?dú)獾膲毫β愿哂谕獠亢Ｑ蟮淖畲髩毫?。溫差能?qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)循環(huán)的四個(gè)階段如圖21所示。圖2-1（a）描述裝置在溫暖的表層海水中處于穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，此時(shí)氮?dú)釴2被壓縮，外部皮囊膨脹，工作液體膨脹。4.4控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有明顯的非線性與交叉耦合性. 為了完成不同的任務(wù),要求水下機(jī)器人在多個(gè)自由度上有較高的控制精度. 所以,需要建立完善的集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),使之能夠緊急避障(基于行為的反映) 并與控制信息進(jìn)行統(tǒng)一描述,同時(shí)將信息融合、故障診斷、容錯(cuò)控制策略集成.考慮到水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)變性、環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性,很難建立精確的水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型. 多數(shù)研究人員把注意力和精力放在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制技術(shù)上. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮到了水下機(jī)器人的強(qiáng)非線性和各個(gè)自由度之間的耦合性,能夠跟蹤學(xué)習(xí)系統(tǒng)自身或外圍環(huán)境的緩慢變化. 其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和參數(shù)不易確定,同時(shí)當(dāng)外界干擾的幅度和周期跟水下機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)幅度和周期相近,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)就出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象,使得控制出現(xiàn)