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摘 要：应用专业的网格划分软件ICEM CFD构造水下运动仿真模型并划分网格，应用计算流体力学软件Fluent对水下运动进行压力场求解。计算中，建立profile文件边界网格的运动，采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型。得出了水下运动的压力场分布和受力曲线，为水下机器人动力学分析提供准备。
关键词：水下机器人；ICEM-CFD；fluent；动力学仿真
Abstract：Exoskeleton robot underwater environment operation， control difficulty increased sharply.In order to realize the precise control of underwater robot， must go for underwater robot dynamics analysis and obtain the control parameters of the model .For underwater power robot dynamics analysis， relative to others difficulty lies in the underwater exoskeleton robot force is nonlinear variation， there are many factors that can affect stress， using the experimental model is difficult to give a good indication of force analysis.This article according to the human body model gb， apply the ICEM-CFD to build a simulation model and meshing. set up a profile based on the variation of freestyle knee joint Angle ，make boundary of the human body model to move.Use the fluent software to realize the simulation and obtain force of the human body model in the water.
Key words：underwater robot；ICEM-CFD； FLUENT； dynamic simulation
引 言
外骨骼机器人在军工，康复等领域应用越来越成熟。但是在水下的应用还比较空白，为了实现对水下机器人的精确控制，必须先对水下机器人进行动力学分析，得出控制参数模型。本文采用CFD模拟方法进行了前处理、求解、后处理得到人体模型在水下的受力情况。
1 前处理
1.1 建模
外骨骼机器人和人体绑在一起运动时，人体是主要的受力截面，所以可以只需考虑人体在水下受力即可得到人机耦合后的粗略受力情况。外骨骼机器人以一定的频率和速度带动穿戴人员前进和双腿进行摆动，所以双腿运动具有对称性，采用二维网格模型即可满足求解需求。根据表格1所提供的亚洲人的各部位尺寸和身高的比例，对二维模型中的人体进行建模。本文以身高为188mm的亚洲人为原型，选用深为10，长为15的水池原型，在ICEM中得到仿真模型作为问题求解的计算域和求解器的边界条件，模型如图1所示，
1.2 划分网格
利用icem进行前处理的最主要目的是将具体问题转化为计算域和网格的形式，使求解器求解器能够接受。根据实际需求，本文采用三角形非结构网格，共有16016个结点，32064个控制体，最小控制体积为 ，最大控制体积为 ，如图2所示：
2 求解
2.1 水下运动时二维绕流控制方程
对于外流而言，流动为湍流的判断标准一般为：
计算得水下运动时，流场的流动为湍流。
本文采用的是二维仿真来模拟求解分析水下运力场动时人体表面受到力场，二维粘性不可压缩流体的运动控制方程为：
2.2 流场的设置
动网格相对于人体双腿上下摆动和向前运动动作的描述，是以模型绕X轴转动角度和沿X轴平移速度为基本参数。可以使用void DEFINE_CG_MOTION函数，或者profile文件描述动网格。
采用扩散光顺方法进行非结构动网格技术来实现网格的更新。采用这样的方法得到人体在水下一个运动周期中，网格更新如图所示。
Fluent提供了多种湍流模型，我们选择标准 模型，以长度和速度为变量，进行求解。
2.3求解
根据需要，本文选择基于压力的求解器。此求解器把动量和压力作为主要变量
本文选择的是SIMPLE算法，此算法的基本策略是用假定的压力场求解动量方程以得到边界上的通量。在通量上添加修正项，以使得通量能够满足连续方程，通量修正项是压强修正项的函数，因此将修正过的通量代入连续方程，就可以得到一个关于压强修正项的方程。在压强修正项前面乘以亚松弛因子，再与原压强相加就可以得到一个新的压强。重复此过程，就形成了交替求解压力场、速度场的迭代过程，直到最后得到收敛解，计算结束。
人体以1m/s的速度沿X轴负方向运动，以自由泳动作上下摆动，设置时间步长为0.01，计算100个步长，每个步长的迭代次数为15，得到人体运动1s后附近的压力分布如图所示，人体沿X方向受到的静压、动压以及总压的曲线如图所示。
得出一个周期的压力曲线，经过拟合以后可以为动力学分析提供力学基础。
关键词：水下机器人；ICEM-CFD；fluent；动力学仿真
Abstract：Exoskeleton robot underwater environment operation， control difficulty increased sharply.In order to realize the precise control of underwater robot， must go for underwater robot dynamics analysis and obtain the control parameters of the model .For underwater power robot dynamics analysis， relative to others difficulty lies in the underwater exoskeleton robot force is nonlinear variation， there are many factors that can affect stress， using the experimental model is difficult to give a good indication of force analysis.This article according to the human body model gb， apply the ICEM-CFD to build a simulation model and meshing. set up a profile based on the variation of freestyle knee joint Angle ，make boundary of the human body model to move.Use the fluent software to realize the simulation and obtain force of the human body model in the water.
Key words：underwater robot；ICEM-CFD； FLUENT； dynamic simulation
引 言
外骨骼机器人在军工，康复等领域应用越来越成熟。但是在水下的应用还比较空白，为了实现对水下机器人的精确控制，必须先对水下机器人进行动力学分析，得出控制参数模型。本文采用CFD模拟方法进行了前处理、求解、后处理得到人体模型在水下的受力情况。
1 前处理
1.1 建模
外骨骼机器人和人体绑在一起运动时，人体是主要的受力截面，所以可以只需考虑人体在水下受力即可得到人机耦合后的粗略受力情况。外骨骼机器人以一定的频率和速度带动穿戴人员前进和双腿进行摆动，所以双腿运动具有对称性，采用二维网格模型即可满足求解需求。根据表格1所提供的亚洲人的各部位尺寸和身高的比例，对二维模型中的人体进行建模。本文以身高为188mm的亚洲人为原型，选用深为10，长为15的水池原型，在ICEM中得到仿真模型作为问题求解的计算域和求解器的边界条件，模型如图1所示，
1.2 划分网格
利用icem进行前处理的最主要目的是将具体问题转化为计算域和网格的形式，使求解器求解器能够接受。根据实际需求，本文采用三角形非结构网格，共有16016个结点，32064个控制体，最小控制体积为 ，最大控制体积为 ，如图2所示：
2 求解
2.1 水下运动时二维绕流控制方程
对于外流而言，流动为湍流的判断标准一般为：
计算得水下运动时，流场的流动为湍流。
本文采用的是二维仿真来模拟求解分析水下运力场动时人体表面受到力场，二维粘性不可压缩流体的运动控制方程为：
2.2 流场的设置
动网格相对于人体双腿上下摆动和向前运动动作的描述，是以模型绕X轴转动角度和沿X轴平移速度为基本参数。可以使用void DEFINE_CG_MOTION函数，或者profile文件描述动网格。
采用扩散光顺方法进行非结构动网格技术来实现网格的更新。采用这样的方法得到人体在水下一个运动周期中，网格更新如图所示。
Fluent提供了多种湍流模型，我们选择标准 模型，以长度和速度为变量，进行求解。
2.3求解
根据需要，本文选择基于压力的求解器。此求解器把动量和压力作为主要变量
本文选择的是SIMPLE算法，此算法的基本策略是用假定的压力场求解动量方程以得到边界上的通量。在通量上添加修正项，以使得通量能够满足连续方程，通量修正项是压强修正项的函数，因此将修正过的通量代入连续方程，就可以得到一个关于压强修正项的方程。在压强修正项前面乘以亚松弛因子，再与原压强相加就可以得到一个新的压强。重复此过程，就形成了交替求解压力场、速度场的迭代过程，直到最后得到收敛解，计算结束。
人体以1m/s的速度沿X轴负方向运动，以自由泳动作上下摆动，设置时间步长为0.01，计算100个步长，每个步长的迭代次数为15，得到人体运动1s后附近的压力分布如图所示，人体沿X方向受到的静压、动压以及总压的曲线如图所示。
得出一个周期的压力曲线，经过拟合以后可以为动力学分析提供力学基础。