基于ANSYS的迎流装配小车设计与分析

赵嘉媛，李强兵

（1.湖北三峡职业技术学院机电工程学院，湖北宜昌443002；2.中国船舶重工集团第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

基于ANSYS的迎流装配小车设计与分析

赵嘉媛1，李强兵2

（1.湖北三峡职业技术学院机电工程学院，湖北宜昌443002；2.中国船舶重工集团第七一〇研究所，湖北宜昌443002）

随着水下机器人结构日益复杂，对各舱段装配精度要求也随之提高，在大型、重型水下机器人的组装过程中，各密封舱段往往需要由各种多自由度的装配台车支撑，从而完成装配。迎流装配小车是水下航行器装配台架的重要组成部分，作为迎流耐压壳体的主要承力结构件，其承受了较大载荷，必须对其进行强度和刚度分析。由于该迎流段装配小车结构形式复杂，传统理论计算准确性较低，因此，应用有限元分析软件对该小车进行了分析。在设计时，对装配小车进行了有限元建模、加载、强度分析及刚度分析，获得了迎流段装配小车的应力情况和变形情况，为其结构设计提供了重要理论依据。

ANSYS；有限元分析；结构设计；装配小车

随着海洋资源开发的不断深入，目前，水下航行器，特别是无人水下航行器（Unnamed Underwater Vehicle，UUV）越来越商业化、市场化，UUV可以承担的任务也越来越多，水下机器人逐渐向大型化、重型化、大深度发展。

迎流装配小车是水下航行器装配调试台架的重要组成部分。为了满足迎流耐压壳体外形的共形需要和装配需求，迎流装配小车设计有升降调节、俯仰调节、径向调节及沿轴向移动和旋转等功能，结构复杂。在结构设计常规情况下，为了保证零部件能安全、可靠，设计人员根据确定的设计准则（比如强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则等）使用传统理论进行设计和分析。但对于迎流装配小车等较为大型、复杂的结构组件，传统理论分析的准确性较低、计算过程烦琐，导致计算耗时较长，有时由于结构太过复杂甚至无法进行传统设计和分析，目前，一般采用有限元分析软件完成设计分析过程。

本文采用有限元分析软件ANSYS，通过建立合理的有限元模型、加载、强度分析和刚度分析，获得迎流装配小车的应力情况和变形情况，为其结构设计提供重要的理论依据。

1 迎流装配小车设计

迎流耐压壳体模型如图1所示，壳体为加肋薄壁结构，迎流段台车主要由升降支顶、俯仰支顶、径向调整机构、升降机构、俯仰调节机构、锁紧机构、车轮底座及箍带等组成。迎流装配小车前端单独设置有升降机构（俯仰调节机构，为梯形牙丝杆螺母副传动），可以使迎流段实现俯仰动作，其结构简图如图2所示，三维模型如图3所示。

2 迎流装配小车强度分析

艏部迎流段台车按承载500 kg设计，其有限元分析模型如图4所示。按两支顶均承载500 kg加载，RP-3、RP-4为被试品重心位置，RP-1、RP-2为支顶受力点，其有限元计算模型如图4所示。

图1 迎流耐压壳体模型

图2 迎流装配小车简图模型

在有限元计算中取单位量级为N、m、Pa、kg，对艏部迎流段台车进行计算分析，考核支顶、车架结构强度，如图5、图6所示。由图5可知，支顶最大应力为127 MPa，为建模时形成的应力集中点，整个支顶应力为85～95 MPa，按普通钢Q235屈服应力235 MPa计算，安全系数大于2，满足强度要求。

图3 迎流装配小车三维模型

图4 迎流装配小车有限元计算模型

由图6可知，车架最大应力小于90 MPa，按普通钢Q235屈服应力235 MPa计算，安全系数大于2，满足强度要求。

图6 迎流装配小车车架应力

3 迎流装配小车刚度分析

由图7可知，支顶最大变形为2.8 mm，发生在俯仰支顶支轮处，而俯仰支顶实际受载时远小于500 kg，因此，俯仰支顶实际变形远小于2.8 mm，满足刚度使用要求。

图7 迎流装配小车支顶变形

图8 迎流装配小车车架变形

由图8可知，车架最大变形小于1.3 mm，发生在俯仰支顶支撑处，而俯仰支顶实际受载时远小于500 kg，因此，实际变形远小于1.3 mm，满足刚度使用要求。

4 结束语

本文介绍了一种迎流装配小车，解决迎流装配小车设计有升降调节、俯仰调节、径向调节及沿轴向移动和旋转等功能需求，为水下机器人装配提供了多自由度调整、精确装配的装配台架。运用Creo软件建立了导轨平台的三维模型，模型简化后导入ANSYS软件中进行了应力分析和刚度分析。本文装配小车已在某水下机器人装配台架中实际应用，经加载试验和使用验证，其强度及刚度满足设计要求，使用安全可靠。

［1］方勇，熊传志.基于ANSYS的迎流段耐压壳体强度与稳定性分析［J］.机械工程与自动化，2015（04）.

［2］许京荆.ANSYS 13.0 Workbench数值模拟技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［3］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2003.

〔编辑：张思楠〕

TP319.7

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.106

2095－6835（2017）16－0106－02