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摘要：文章利用Solidworks对开架水下机器人电子仓结构进行设计，并通过数据传输至Ansys Workbench进行筒体和总装配体的静力学结构分析。同时，通过对结果的分析，验证了电子仓结构设计的合理性，保证了在水深200m下电子仓结构的安全性。
关键词：Solidworks；ansys；电子仓；静力学结构；水下机器人
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0001-02
1 概述
开架水下机器人是水下机器人的一种类型，其结构为框架式整体结构，采用分层式造型，整体分为顶层、中层和底层三层，两边是高强度的边框，顶层主要用来安装浮力块，中层主要用来安装固定装载有控制元件的电子仓和推进器，下层主要是留出安装后续的扩展设备，譬如机械手、配重块之类。这种结构总体布置比较方便，层次分明，加挂和装换设备仪器比较容易，而且高强度的边框还能起到围护、支撑和保护其他部件的作用。
电子仓是开架水下机器人的重要组成部分，其作用主要是装载水下机器人的控制系统，所以电子仓结构必须要有良好的密封性能。这就要求其设计必须要满足能够承受在一定水深条件下的水下压强，不至于被破坏而发生严重的事故。
Solidworks是一款在中小型企业中得到普遍应用的集成CAD/CAE/CAM的三维软件。其主要功能在于其CAD功能非常强大，它能够方便地完成零部件建模，通过其数据传输接口与其他CAD/CAE/CAM软件进行数据传输。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。本文主要利用Solidworks进行电子仓结构的结构设计，通过其数据传输接口将模型传送至Ansys Workbench中进行静力学分析，评判筒体是否满足在200m深下的抗压要求。
2 Solidworks实体模型建立
2.1 筒体的建立
电子仓筒体内要放置电源模块和数据传输模块，根据它们的尺寸和空间位置基本确定筒体的尺寸，最终的筒体外径大小选用200mm，厚度4mm，长度470mm，在散热要求和结构强度等要求上考虑选用6061-T6铝合金，材料参数如表1，材料为各向同性，介质均匀，模型如图1所示。
2.2 端板的建立
端板的设计采用了径向密封，其沟槽采用活塞密封形式。密封圈采用截面直径为7mm，内径为183mm的密封圈结构，其结构如图2；电子仓端板上密封圈沟槽尺寸如图所示3：
2.3 内部固定结构的建立
电子仓筒体内部的部件有电源模块、主控板、光端机，所要固定的部件，经过零件建模，根据电子仓内部尺寸，内部固定结构如图4，由两个固定板垂直放置搭载所需要固定的部件，结构简单，搭载能力强，在不产生干涉，正常发挥各部分性能的条件下，有效利用了电子仓内部的空间。
3 ANSYS中结构分析
3.1 筒体的静力结构分析
在Solidworks中将筒体模型另存为parasolid格式，通过Ansys数据传输接口导入Ansys Workbench中。将模型材料设置为6061-T6铝合金，筒体厚度为4mm并将实体模型进行有限元模型化，对有限元筒体模型其两边施加固定约束，对筒体外表面施加压力，计算压力=2×1.5=3MPa（安全系数取1.5）。分析的主要目的是确定在200m水深条件下结构是否安全，其变形和应力分析如图5，图6所示。
3.2 装配体结构分析
对于装配体分析而言，在Ansys中很难进行装配体的模型建立，必须借助于其他三维设计软件来完成。对于该筒体而言，当在Solidworks中完成装配模型的建立之后，将其传输到Ansys Workben中，并且将材料设置为6061-T6铝合金，对模型进行网格化，对各个外表面施加3MPa的压力，系统自动为模型添加接触。最终其总体变形和最大应力如图7、图8所示。
4 结果分析
第一，筒体最大应力为115.22MPa，远远小于材料的许用应力，因此其结构强度安全。
第二，筒体的最大位移变形为0.0047383mm，其值十分微小，因此筒体结构的刚度安全。
第三，装配体最大应力为166.38MPa，其值同样远小于材料的许用应力，结构强度方面安全。
第四，装配体分析最大位移变形0.0048617mm，该值十分微小，对结构不会造成破坏，因此结构刚度安全。
5 结语
第一，通过Solidworks与Ansys Workbench结合，验证了设计的合理性、安全性、可靠性，保证了开架水下机器人在水深200m作业时的安全可靠。
第二，筒体的应力和位移分析可以为其他类似设计提供借鉴，同时为电子仓筒体选用提供依据，为进一步地分析和优化提供基础数据。
第三，通过对筒体装配体的应力和位移结果分析，为水下机器人电子仓结构设计提供理论依据，为进一步优化提供基础数据。
参考文献
[1] 蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2000.
[2] 阳兵兵.观测型水下机器人结构及其惯性导航方法研究[D].浙江大学，2008.
[3] 许竞克，王佑君，侯宝科.一种ROV耐压壳体有限元分析及尺寸优化[J].机电产品开发与创新，2011，（4）.
[4] 于延凯，林扬.水下机器人耐压舱弹塑性稳定性的一种简易计算方法[J].机器人，2003，25（1）.
[5] 宋辉.ROV的结构设计及关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2008.
作者简介：宋大雷（1971-），男，中国海洋大学工程学院教授，硕士研究生导师，研究方向：机器人技术、数据采集与数字信号处理、海洋仪器装备开发；王贞玉（1988-），女，中国海洋大学工程学院硕士研究生，研究方向：海洋仪器装备开发。
关键词：Solidworks；ansys；电子仓；静力学结构；水下机器人
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0001-02
1 概述
开架水下机器人是水下机器人的一种类型，其结构为框架式整体结构，采用分层式造型，整体分为顶层、中层和底层三层，两边是高强度的边框，顶层主要用来安装浮力块，中层主要用来安装固定装载有控制元件的电子仓和推进器，下层主要是留出安装后续的扩展设备，譬如机械手、配重块之类。这种结构总体布置比较方便，层次分明，加挂和装换设备仪器比较容易，而且高强度的边框还能起到围护、支撑和保护其他部件的作用。
电子仓是开架水下机器人的重要组成部分，其作用主要是装载水下机器人的控制系统，所以电子仓结构必须要有良好的密封性能。这就要求其设计必须要满足能够承受在一定水深条件下的水下压强，不至于被破坏而发生严重的事故。
Solidworks是一款在中小型企业中得到普遍应用的集成CAD/CAE/CAM的三维软件。其主要功能在于其CAD功能非常强大，它能够方便地完成零部件建模，通过其数据传输接口与其他CAD/CAE/CAM软件进行数据传输。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。本文主要利用Solidworks进行电子仓结构的结构设计，通过其数据传输接口将模型传送至Ansys Workbench中进行静力学分析，评判筒体是否满足在200m深下的抗压要求。
2 Solidworks实体模型建立
2.1 筒体的建立
电子仓筒体内要放置电源模块和数据传输模块，根据它们的尺寸和空间位置基本确定筒体的尺寸，最终的筒体外径大小选用200mm，厚度4mm，长度470mm，在散热要求和结构强度等要求上考虑选用6061-T6铝合金，材料参数如表1，材料为各向同性，介质均匀，模型如图1所示。
2.2 端板的建立
端板的设计采用了径向密封，其沟槽采用活塞密封形式。密封圈采用截面直径为7mm，内径为183mm的密封圈结构，其结构如图2；电子仓端板上密封圈沟槽尺寸如图所示3：
2.3 内部固定结构的建立
电子仓筒体内部的部件有电源模块、主控板、光端机，所要固定的部件，经过零件建模，根据电子仓内部尺寸，内部固定结构如图4，由两个固定板垂直放置搭载所需要固定的部件，结构简单，搭载能力强，在不产生干涉，正常发挥各部分性能的条件下，有效利用了电子仓内部的空间。
3 ANSYS中结构分析
3.1 筒体的静力结构分析
在Solidworks中将筒体模型另存为parasolid格式，通过Ansys数据传输接口导入Ansys Workbench中。将模型材料设置为6061-T6铝合金，筒体厚度为4mm并将实体模型进行有限元模型化，对有限元筒体模型其两边施加固定约束，对筒体外表面施加压力，计算压力=2×1.5=3MPa（安全系数取1.5）。分析的主要目的是确定在200m水深条件下结构是否安全，其变形和应力分析如图5，图6所示。
3.2 装配体结构分析
对于装配体分析而言，在Ansys中很难进行装配体的模型建立，必须借助于其他三维设计软件来完成。对于该筒体而言，当在Solidworks中完成装配模型的建立之后，将其传输到Ansys Workben中，并且将材料设置为6061-T6铝合金，对模型进行网格化，对各个外表面施加3MPa的压力，系统自动为模型添加接触。最终其总体变形和最大应力如图7、图8所示。
4 结果分析
第一，筒体最大应力为115.22MPa，远远小于材料的许用应力，因此其结构强度安全。
第二，筒体的最大位移变形为0.0047383mm，其值十分微小，因此筒体结构的刚度安全。
第三，装配体最大应力为166.38MPa，其值同样远小于材料的许用应力，结构强度方面安全。
第四，装配体分析最大位移变形0.0048617mm，该值十分微小，对结构不会造成破坏，因此结构刚度安全。
5 结语
第一，通过Solidworks与Ansys Workbench结合，验证了设计的合理性、安全性、可靠性，保证了开架水下机器人在水深200m作业时的安全可靠。
第二，筒体的应力和位移分析可以为其他类似设计提供借鉴，同时为电子仓筒体选用提供依据，为进一步地分析和优化提供基础数据。
第三，通过对筒体装配体的应力和位移结果分析，为水下机器人电子仓结构设计提供理论依据，为进一步优化提供基础数据。
参考文献
[1] 蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2000.
[2] 阳兵兵.观测型水下机器人结构及其惯性导航方法研究[D].浙江大学，2008.
[3] 许竞克，王佑君，侯宝科.一种ROV耐压壳体有限元分析及尺寸优化[J].机电产品开发与创新，2011，（4）.
[4] 于延凯，林扬.水下机器人耐压舱弹塑性稳定性的一种简易计算方法[J].机器人，2003，25（1）.
[5] 宋辉.ROV的结构设计及关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2008.
作者简介：宋大雷（1971-），男，中国海洋大学工程学院教授，硕士研究生导师，研究方向：机器人技术、数据采集与数字信号处理、海洋仪器装备开发；王贞玉（1988-），女，中国海洋大学工程学院硕士研究生，研究方向：海洋仪器装备开发。