水下清淤机器人的结构力学性能研究

作     者：付博伟 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：桑建兵

授予年度：2021年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0815[工学-水利工程] 0802[工学-机械工程] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：清淤机器人 有限元仿真 模态分析 流固耦合 液压系统 

摘      要：针对湖泊等重点自然水环境污染防护和治理的重大需求,加快推进淤泥无害化处置和资源化利用已成为环保领域重点关注的课题之一。当前淤泥清理方式落后且效率低下,为了更好更快地进行淤泥的清理,实现淤泥清理的智能化,论文设计了一种可以高效系统化清理淤泥的水下清淤机器人,从清淤机器人的方案提出、结构设计和力学性能分析、吸淤结构的流固耦合分析、液压控制系统的设计与分析等方面进行了研究,主要包括以下几个方面:(1)根据现状对水下清淤机器人进行了方案规划,将水下清淤机器人分为支架系统、清淤系统和液压控制系统,分别对相关系统进行了系统与结构的设计。运用Solid Works软件进行三维建模,得到了水下清淤机器人的三维结构模型。对支架系统进行选材并通过试验确定了其材料参数,对支架结构在不同工况下的受力情况进行了分析并利用有限元仿真计算了结构的最大应力以及变形,对其结构的强度可靠性进行了验证。同时,对支架和绞龙部分进行了模态分析,分析了其固有频率,避免其工作时发生共振现象。(2)对清淤系统中的吸淤机构进行了流固耦合分析。考虑到淤泥含量对绞吸收工作的影响,运用多相流与滑移网格模型相结合的处理方法建立了绞龙的三维有限元模型,基于Fluent软件对不同工况条件下绞龙的内部流场进行了分析,得到了相应的压力分布图和流线分布图。同时,考虑了不同的淤泥含量与绞龙转速对流场的影响规律,利用流固耦合分析得到了不同工况下的绞龙叶片部分的应力与变形情况,验证了吸淤部分的结构可靠性。(3)对水下清淤机器人的液压控制系统进行了回路设计与仿真分析。根据清淤机器人的结构特点与预期实现的功能对其液压系统的执行元件进行了选择,利用液压缸和液压马达分别实现机构的位置调整与工作状态的转换。结合液压基本原理与机器人的实际工况,设计了该液压系统的基本回路并对其各液压元件进行了参数的计算与型号的选择,利用Fluid SIM软件对该液压系统进行了模型的建立与仿真分析,保证了所设计的液压回路的可实施性。