水下机器人耐压电子舱设计与制作

耐压电子舱作为水下机器人电子元器件的重要载体,其结构设计、强度分析、密封及防腐技术是水下机器人开发设计非常关键的技术之一。本文从电子舱结构设计、材料选择、水密设计和防腐设计这几个角度介绍了水下机器人耐压电子舱的设计和制作,并成功应用于水下机器人潜水作业。     

超小型水下机器人本体的研究

介绍了一种超小型水下机器人,其整体结构及工作原理突出了该水下机器人的特点.利用三个螺旋桨实现了上升、下潜、前进、后退和左右转弯运动.从耐压主体舱的形状、材料和性能参数方面对耐压仓结构进行了设计计算,接下来又对驱动方式的选择、水下运动阻力计算等方面进行了探讨.     

面向可靠性的某型水下机器人耐压壳体设计

耐压壳体是水下机器人各功能设备的装载平台,为水下机器人提供所需正浮力,其性能关系到水下机器人的安全性、可靠性、经济性。将可靠性理论中的应力-强度干涉模型应用到某型水下机器人耐压壳体设计过程,并给出了设计实例。     

小型水下巡航机器人表面减阻仿生设计

为提高小型水下巡航机器人作业过程中的行进效率，基于仿生设计方法进行表面减阻设计。利用边缘提取算法和GetData软件对灰鲭鲨鱼鳞片形态与结构进行特征分析和数据提取；运用Shapr 3D和Rhino软件构建了鳞片三维模型和仿生非光滑结构表面，通过Fluent软件进行流体仿真分析，对比不同流速下的剪切应力。结果表明：当来流速度大于6 m/s时，非光滑表面剪切应力小于光滑表面剪切应力，流速为8 m/s时减阻率最高可达2.9%。仿生灰鲭鲨鱼鳞片非光滑表面模型在一定范围的来流速度下具有较好的减阻效果，但减阻率会随来流速度的增加先增后减，在特定流速下，减阻效果最佳。     

小型水下机器人外形及其直航阻力特性研究

针对小型水下机器人减少能耗和提高速度的需求,经过与其它几种回转体线型的对比分析,选用myring线型将小型水下机器人外形用一组简单的数学公式完整地表示出来。设计了小型水下机器人外形,然后采用三维参数化造型软件SolidWorks建立小型水下机器人壳体外形三维模型后,运用流体动力学计算软件FLUENT分别计算三种k-ε情况下的粘性系数,与理论计算值对比后,选择了RNG紊流模型。最后,应用RNG紊流模型对小型水下机器人在(0²)m/s速度工况下进行了直航阻力特性分析,为主推进电机选型和水下机器人结构设计提供依据。     

水下捕捞机器人水动力学性能分析

海参捕捞机器人在水下捕捞作业时的性能受姿态变化的影响较大,为了使海参捕捞机器人始终保持最佳性能,需要在实际应用前对不同姿态下的捕捞机器人进行水动力学分析。利用计算流体力学软件 中的RNG 湍流模型作为仿真模型,考虑到仿真计算的精度,对近壁区域的处理进行了研究,在湍流模型的基础上加入了标准壁面函数。应用该模型对水下捕捞机器人水平直航、水平斜航和垂直斜航3种姿态下的水阻力和水阻力矩进行分析。结果表明:不同的姿态将影响水下捕捞机器人所受到的水阻力和水阻力矩的大小;在水平直航时捕捞机器人受到垂直向下的作用力较大,而产生的俯仰力矩较小;在水平斜航时漂角对捕捞机器人的影响较大;在垂直斜航时捕捞机器人的垂向力和俯仰力矩均随着流速和攻角的增大而增加。     

提升轮胎抗滑水性能的仿生方法

提高花纹沟排水能力是提升轮胎抗滑水性能的主要途径之一,借鉴仿生学理念,将凹坑形仿生非光滑结构引入花纹沟,探索研究通过降低花纹沟流体阻力提高花纹沟排水能力的仿生方法。以轮胎接地区单个花纹沟作为研究对象,在沟底布置凹坑形仿生非光滑结构,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)和正交试验设计相结合的方法,研究凹坑形仿生非光滑结构对壁面减阻率的影响规律,确定最优参数组合;为进一步提升凹坑形仿生非光滑结构的减阻率,提出一种水滴形凹坑仿生结构,并对其减阻特性进行分析,得出其减阻效果优于圆形凹坑结构;将最优的水滴形凹坑仿生结构布置于花纹沟底部,分析其抗滑水性能。结果表明,水滴形凹坑仿生结构能够减小水流阻力,提高轮胎花纹沟排水量,降低轮胎在水膜上行驶时所受到的胎面动水压力,提升轮胎的抗滑水性能。     

车辆仿生结构气动特性分析与优化

以Ahmed车辆为研究对象,采用CFD数值模拟的方法,研究非光滑棱纹仿生结构对车辆空气动力学特性的影响。对不同行驶速度下原车尾涡速度矢量分布以及升阻力系数的仿真计算,并根据风洞试验结果验证数值模拟的有效性。在原车尾部设计非光滑棱纹仿生结构,以阻力系数和升力系数为优化设计目标函数,以仿生结构的几何尺寸,空间布置尺寸,以及行驶车速作为设计变量,建立Kriging近似模型,并采用多目标遗传算法进行带有棱纹仿生结构的Ahmed车辆模型优化分析。经CFD验证,优化后的带有棱纹仿生结构的Ahmed车辆模型阻力系数降幅约为5%,升力系数降幅约为29.35%,能够起到显著的减阻增稳效果。计算结果也表明,建立的Kriging近似模型的误差为2%左右,可信度较高。     

基于仿生形态的高速列车气动性能研究

基于工程仿生学理论,提出一种高速列车头型的设计方法,选取自然界中速度较快的几种典型动物为仿生对象,对生物体进行工程化仿生建模,从复杂的三维几何中,提取主要的特征线并忽略次要特征,得到基于仿生形态的高速列车头型,并与CRH型动车组进行基本气动性能的比较。研究结果表明,高速列车以350 km/h在明线下运行时,海豚型列车所受的阻力最小,其次是蜂鸟型,二者的运行阻力均小于CRH型,而大白鲨型列车的阻力最大;分析了各仿生设计列车纵向截面积随距鼻尖长度变化的关系,线性趋势程度由高到低排序:海豚型蜂鸟型CRH型大白鲨型,而列车的阻力系数刚好与该顺序相反,说明头型截面积沿长度方向的线性变化程度越高,其气动阻力越小。     

一种深海机械手捕捞采集设备设计

为了实现代替人类进行深海探索捕捞,采用了多系统设计、结合市面上两种沉浮方式的沉浮系统设计,辅助装置、动力推进系统等设计,完成了水下捕捞机器人在水下运行的整体设计,实现了水下捕捞机器人在水下的动力稳定、沉浮状态迅速切换和水下捕捞的可持续性。试验结果表明,该水下捕捞机器人能够实现对水下物体的捕捞。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

基于自由变形技术的汽车气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效性,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形(Free form deformation,FFD)技术引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法。当前的研究以某款轿车模型为研究对象,根据优化的拉丁方试验设计构建样本空间,并采用FFD方法对各样本点模型进行参数化;通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;采用Kriging模型构建近似模型;利用多岛遗传算法求解近似模型的最优值;根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数。计算结果显示优化后轿车模型的气动阻力系数减少了4.09%,表明FFD方法在汽车气动减阻优化中有很好的应用效果。     

深海耐压舱结构优化选型设计

通过对深海水下无人潜航器的使用环境进行分析,设计了两种不同结构形式的深海耐压舱,建立了耐压舱的有限元模型,并对两种结构形式的耐压舱分别进行了强度和稳定性分析对比,结合耐压舱段质量和浮力的计算,最终选择合适的耐压舱结构,并进行了打压试验验证了设计的可行性。     

基于液压驱动的仿生推进器设计及运动学分析

MPF推进模式鱼类的高效、低扰动游动特性,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注。以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍为仿生对象,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿生推进器。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理,并建立了相应的运动学模型。在MAT-LAB中,根据运动学模型分析了鳍条高度、鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果。初步开展了该仿生推进器试验装置的试验。计算仿真和试验结果表明:液压驱动的仿生推进器运行流畅、结构和运动参数调整有效,完全可以模拟仿生对象的运动。     

尾部减阻装置对厢式货车尾部流场的影响

为了降低某厢式货车的气动阻力,基于气动减阻机理设计了9种新型的尾部气动减阻装置。采用数值模拟的方法研究了尾部气动减阻装置对厢式货车尾部流场的影响,对比分析了安装9种尾部减阻装置的厢式货车的气动阻力系数、速度分布、压力分布及湍动能分布等流场特性,并对两种较好减阻装置的结构参数进行优化。研究结果表明:安装9种尾部减阻装置后整车气动阻力系数均有降低,降幅最大为7.96%,获得了较好的减阻效果。尾部减阻装置主要是通过减弱尾部涡流,增大尾部气压,从而来降低压差阻力。     

随行波表面减阻降噪的水洞实验方法

介绍了随行波表面水下减阻降噪的基本原理和应用前景,给出了随行波表面水下减阻降噪的水洞实验所需的测试仪器设备、实验原理和所应采用的平板实验模型和回转体实验模型,提出了实验模型的随行波表面的模拟方法、实验内容和主要实验步骤。实践证明本文所提出的随行波表面减阻降噪的水洞实验方法科学合理,简单易行,可获得满意的实验结果。     

某水下捕捞机器人的结构设计及水动力学分析

通过对某水下捕捞机器人的外形和机构设计尤其是捕捞机械手和航行推进鳍的设计,设计出一款体积较小专门用于海底水生生物捕捞的水下机器人,基于CFD的水动力学分析仿真得出机器人在水下作业时受到流体水域的压力值,为以后的机器人进行实际水下捕捞作业提供强有力的理论依据。     

水下机器人的设计与CSMA/CD局域网控制系统的研究

通过对水下机器人的结构设计。对耐压电子舱的耐压性进行了理论值校核和仿真实验,求出了耐压电子舱的在水下所受的应力。在控制原理中,介绍了总体的运动控制总体框架图,并对BeagleBoard驱动功率器件和ArduinoMega2560控制器进行了选择和参数分析。分析了CSMA/CD技术局域网控制,采用CSMA/CD技术局域网,通过控制器,改变电脑无线网的IP设置和子网掩码,实现对水下机器人的运动控制,界面简单,操作方便。针对设计图对实物进行了制造,在制造的过程中,介绍了水下水下照明灯的选型、摄像头视角转换功能原理与设计方法及摄像头的选型及制造装配。采用了激光测距技术,利用脉冲法原理方便测量水下机器人和水下生物之间的距离。最后对制造出的水下机器人进行了水下运动和拍摄实验,运动状态良好,拍摄的水下画面清晰且视角灵活。     

仿水母推进的水下机器人的设计与仿真分析

以仿水母推进的水下机器人为研究对象,设计其机械架构,并就推进步态进行分析,进一步利用ADAMS软件建立了该仿生机器人的虚拟样机,对该仿生机器人进行了动态模拟仿真实验。具体地,研究了在推进过程中仿生机器人扑水柔性片、外撑杆、与线性轴承的速度和位移随时间变化的关系,以及该仿生机器人机构协调能力。仿真结果表明:该仿生机器人在一定介质流体系数下有着较好的机构协调能力,各运动曲线连续、平缓且呈周期性,可满足实际需求。     

一种微小型水下机器人本体结构的设计

介绍了一种在浅水区域进行探测识别、搜索打捞作业的微小型水下机器人,其总体方案及总体布置突出了该水下机器入其有阻力小、灵活机动的特点.头部组件及推进器采用了模块化设计,结构简单、方便维修、安全性高.对耐压壳体强度及稳定性进行了计算校核.用两个主推动器和两个辅推动器实现水下机器人的前后、浮潜和左右转弯运动,并对水下机器人的密封及腐蚀进行了简述.对水下机器人本体结构设计极具实用价值.