无人潜水器吊装强度分析计算

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第 10期2013年 l0月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 35无人潜水器吊装强度分析计算何雪泫，谭秀峰，郭珍珍，李燕燕(东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 1 10004)摘 要：在无人潜水器的吊装过程中，其直接受拉舱段和连接部件的强度是需要重点考虑计算的。给出了无人潜水器吊装强度分析的有限元数值分析和理论计算方法。首先利用建立质量点和刚性区域的方法对无人潜水器的起吊舱段进行了有限元分析，给出了边界条件施加方法和载荷计算方法，得到了指定起吊载荷下直接受拉舱段的应力应变分布，并根据分析结果找到了受力薄弱部位；再利用理论计算方法，对舱段连接处环形分布的受翻转力矩的螺栓组进行了受力分析和强度校核。

关键词：无人潜水器；吊装强度；ANSYS；理论分析中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0035—03The Strength Analysis and Calculation of an Unmanned Submersible under LiftingHE Xue-hong，TAN Xiu-feng，GUO Zhen-zhen，LI Yan-yan(School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 1 10004，China)Abstract：For the lifting process of unmo~ned submersible，there are certain requirement for the strength of cabins andinterconnectingpieces．The nume rical analysis offinite eleme nt method and theoretical cdculation method were given to thelifting strength analysis．First， used afinite-eleme nt analysis me thod by establishing the point-mass and ri region toanalyze cabin，gave the way to applying boundary conditions and loads cdcul~ing method，obtained stress and straindistribution ofcabin under tension，andfound the weak stress parts；thenforce analysis and check ofthe ring—distributedbolt-set connection with turning torque Was finished by theoretical calcul~ion method.

Key W ords：Unmanned Submersible；Lifting Strength；ANSYS；Theoretical Calculation1引言无人潜水器是指具有水下观察和作业能力的潜水装置，主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务。

在完成任务后，要对无人潜水器进行回收操作㈣。对于带侧翼的潜水器，如图 1所示。

0．前舱段 1．起吊舱段 1 2．起吊舱段 2 3．后舱段4．吊耳 5．侧翼挂接组件图 1无人潜水器的三维模型示意图Fig．1 3D Model of Unmanned Submersible进行吊装时，安装吊耳的舱段承受整个潜水器的重量，如果这些舱段强度不够，则会产生局部屈服，导致塑性变形 ，严重情况下会出现撕裂；同时，对潜水器整体而言，吊耳部位拉力向上，而重力方向向下，使结构产生附加弯矩，弯矩超过结构所能承受的负荷时，结构会产生弯曲变形。严重时，弯矩产生的塑性变形无法恢复；此外，结构的弯曲变形会造成内部相对薄弱部位产生破坏等131。在目前可查资料中，尚未见潜水器吊装强度分析的报导。文献 利用建立质量点和刚性区域的方法对 3000t化学品船货舱段的起吊进行了有限元强度直接计算，得到了较为满意的结果。但是对 考虑螺栓组的强度，所以运用了有限元和理论分析相结合的方法对潜水器的吊装强度进行了计算。

2无人潜水器起吊强度分析方法的选择起吊时对潜水器结构的强度校核关键在于加强起吊舱段的强度，以防撕裂。潜水器起吊过程主要考虑受静力作用，且以最不利的载荷状况计算，有利于起吊过程的安全设计，控制结构变形。无人潜水器吊耳位置在起吊舱段 1和起吊舱段 2，如图 1所示。为了得出起吊舱段的应力应变分布睛况，需要利用有限元软件对无人潜水器的起吊舱段 1和起吊舱段 2进行起吊强度分析。利用 ANSYS分析软件，也通过建立质量点和刚性区域的方法 ，对其中的起吊舱段进行起吊状态下的强度分析，以起吊舱段1为例予以说明。

无人潜水器在起吊状态下的强度分析，除了需要考虑起吊舱段的强度 ，还需要考虑舱段连接处的螺栓组强度是否满足要求。考虑到有限元软件ANSYS难以分析加上螺栓的复杂腈况，而来稿日期：2012—12—05基金项目：国家高技术研究发展计~(863计划)项目(2012AA040104)作者简介：何雪法，(1965一)，女，辽宁沈阳人，博士，副教授，主要研究方向：结构疲劳与断裂36 何雪泫等：无人潜水器吊装强度分析计算 第 l0期且螺栓强度的理论分析已经比较成熟，在实际工程中得到了大量的应用M，故利用理论分析方法对舱段连接处的螺栓组进行强度校核，以前舱段 0和起吊舱段 1连接处的螺栓组强度分析进行说明。如图 1、图2所示，无人潜水器在起吊状态下，前后共有四个吊耳承受载荷。Mg为无人潜水器的重力载荷， 、 分别为前后吊耳所承受的拉力载荷。

朋 g图2无人潜水器起吊载荷分布图Fig．2 Load Distribution Diagram of Unmanned Submersible on Lifting3基于 ANSYS的起吊舱段 1的吊装强度分析3．1起吊舱段 1的起吊载荷计算如图 3所示 ，在吊装状态下，起吊舱段 1除承担 自身所搭载设备的重量 m 外，还承担着前舱段 0对该段造成的弯矩 mogB。、起吊舱段 2和后舱段 3对该段造成的弯矩 巩：鹕侣 、右侧起吊拉力载荷2 对该段造成的弯矩和两翼挂接载荷的弯矩 的共同作用，如图4所示。

2meg m曝 mz嚣图3起吊状态下起吊舱段 I受力示意图Fig．3 The Force Diagram of Cabin 1 on Lifting／图4侧翼前挂点受力示意陶Fig．4 The Force Diagram of Front Stabilizer Hard Points3．2起吊舱段1吊装强度分析的单元创建由于舱体结构的复杂性 ，可通过建立质量单元对其进行结构简化 。如图 5所示 ，建立四个 mass21质量单元 ，质量点1，2，3，4的质量分别为两侧翼的重量、前舱段 O的重量 ，和起吊舱段 2、后舱段 3的重量。为了把 4个质量单元的载荷传递到起吊舱段 l，必须通过 mpcl84单元分别建立四个 mass2l质量单元与侧翼销钉孔、起吊舱段 l的两侧面的刚性Ⅸ域。设置材料参数为弹性模量 E=70GPa，泊松系数 u=0．3，密度p=2860kg／m 。选用Solidl86单元，对起吊舱段 1进行 自由网格划分，对起吊舱段 l的吊耳~Lf,J上表面施加全约束。对质量点 1，2，3，4分别施加载荷F，F，mog和mz~g-2F2，在 4上面再施加一个力矩 2F2B 。设置重力加速度为一9．8。分析结果，如图6所示。潜水器由于起吊引起的大部分结构相对变形不大，不会破坏内部结构；从图 7、图 8可以清晰地看到，应力最大区域在吊耳附近，大部分舱段的应力较小。

网 5起吊舱段 1的单元创建Fig．5 The Created Units of Cabin 1图6起吊舱段 l吊装强度分析总变形云图Fig．6 The Detormation Nephogram of Cabin l网7起吊舱段 1吊装强度分析Mises应力云图Fig．7 The Von Mises Stress Nephogram of Cabin 14吊装过程中连接螺栓组的强度分析无人潜水器舱段之间通过螺栓连接，各舱段连接处螺栓组分布呈环形，如图 9所示。螺栓数为 ，对称布置。螺栓所在圆周直径为D。

图8起吊舱段 l吊装强度分析壳体 Mises臆力云图Fig．8 Fhe Shell Von Mises Stress Nephogram of Cabin lNo．10Oct．201 3 机械设计与制造 370图9各舱段连接处螺栓组分布图Fig．9 The Distribution of Bolt—sets由于舱段各连接处的螺栓组强度分析类似，仅以前舱段0和起吊舱段 1连接处的螺栓组强度分析进行说明。前舱段0和起吊舱段 1连接处的螺栓组受力情况，如图 lO所示。前舱段0和起吊舱段 1连接处的螺栓组分别受 2 、2 、mag、m。23g对其的翻转力矩 =2 ls、 E=2F2／4、眠=‰gf1、M123=m 23gf2。

由 、 、 、M 产生前舱段 0和起吊舱段 1连接处的合成力矩M。根据受力平衡，螺栓组所受的横向力 ；毗meg “图 l0前舱段0、起吊舱段 1连接处螺栓组受力图Fig．10 Th e Force Diagram of Bolt-set between Cabin 0 and 1由于螺栓组连接不承受轴向力作用，故螺栓组在轴向力作用下的工作拉力为JDl=0。在翻转力矩的作用下，上半部分的螺栓受到加载作用 ，而下半部分的螺栓受到减载作用 ，故上面的螺栓受力较大，所受的载荷按公式(1)吼畹定，即：P1： (1) 』一—— 一 ＼，
2 Li式中：Pf—螺栓所受的最大工作载荷，N；L厂对称轴线 O—O上侧各螺栓轴线到对称轴线的O—O的距离，mm；L - 中的最大值，mm。

故上面螺栓所受的轴向工作拉力为 。在横向力 R作用下，接合面可能产生滑移。若每个螺栓的预紧力为 ，螺栓数量为 ，则其平衡条件为[61：(2)式中：产按合面摩擦系数，取0_2； 合面对数，为 1；靠性系数，取1．3。

螺栓所受的总拉力Q=Qp 彘 P。螺栓危险剖面的应力应该满足 ：4) ≤[or]。

竹 为了防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，应使受载后接合面挤压应力的最大值不超过舱段材料的许用应力，最小值不小于0。即：= △ ≤( ] = 一AG >o (3)式中： —结合面在受载前由于预紧力而产生的挤压应力， =孚；A—接合面的有效面积，mm2；△crP一=丽CF · 一由于加载而在接合面上产生的附加挤压应力的最大值，其中，— 舱段的相对刚度 ， =1一 —螺栓的相对刚度；[ ]一接合面材料的许用挤压应力，MPa；将 和 AG 代人式(3)得判式：=孚+(I_ cLc I M [ ]，= _(1- c L／K>0 (4)式中：A= 'n-(D2一d2)—接合面的有效面积；W=弓争【1一( )’]～结合面的抗弯截面模量。

5结论利用ANSYS提供的mass21质量单元和mpc184单元，完成了无人潜水器在吊装过程中起吊舱段的有限元分析，结果直观地给出了指定起吊载荷下舱段的应力和变形的分布规律；通过理论分析，解决了环形螺栓组的受力分析和强度校核问题。

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