【毕业设计】水下自主航行器结构设计

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水下机器人可以粗略的分为两类，一类为载人的有人潜器，例如我国的“蛟龙号”，另一类为无人潜器。无人潜器可以分为有缆潜器与无缆潜器，有缆潜器可由岸基或者母船供能运行，但是无法离开岸基或者母船太远，同时，缆线也是制约有缆潜器的关键。有缆潜器可分为遥控型和拽航型，遥控型又可分为海中浮游型与海底行走型，拽航型也可分为海中拽航型与海底拽航型；无缆潜器可分为监控型与完全自主型，完全自住型分为智能型与预编程型两种。
ForAUVspecificdesignlayereddesignfromthestart,top-downdesign,respectivelyspecificdesign,conceptdesign,spaceforotherdesignmethods.Specificmethodsforthepreliminarydesign:Afterdeterminingthedesignrequirements,combinedwithpreviousdataanalysisdone,thechoiceoftheoptimaldesignforfurtherresearchfromavarietyofdesigns,andthenmakeapreliminaryselectionofempiricalformulascheck,completethepreliminarydesign.
AUVcompletedthedesignbasedAnsysWorkbenchthree-dimensionaldynamicanalysis,simulationofflowfieldaroundAUVmotion,mesh,settheboundaryconditions,analyzetheresultsobtained,willanalyzetheresultsoftheempiricalformulacalculatedvaluesobtainedarecompared,consideringspeedandpressureandotherfactors,toverifythefeasibilityofthedesignsafety.Rationaldesignisused,otherwisemodifythedesign,thefinalcompletionoftheoverallstructureofAUVdesign.
海洋的竞争是新一轮的国际竞争，开发海洋需要高技术手段，对于海洋的开发与保护是维护可持续发展与国家安全的必然要求。由于人的潜水深度有限，水下机器人成为代替人类进行水下的作业的重要工具，目前开发海洋的工作离不开水下机器人的发展。
从民用方面出发，水下机器人技术的发展为安全搜救、管道检查、科研教学、水下娱乐、能源产业、考古、渔业等方面提供了科技的支持，使得安全检测工作、水下拆装工作、走私物品检测、水下目标观察、水下证据搜寻、海底打捞、海洋考察、水下考古、深水网箱渔业养殖等工作能够顺利展开。
分类号密级
UDC
本科毕业设计
水下自主航行器结构设计
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学生姓名学号
指导教师
院、系、中心工程学院机电系
专业年级2011级机械制造及其自动化专业
论文答辩日期2015年6月4日
中国海洋大学
水下自主航行器结构设计
Keywords:AutonomousUnderwaterVehicle;structuraldesign;FiniteElement Analysis;simulation
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从人类赖以生存的资源出发，世界经济的发展、人口的增加导致人类对于资源的需求与日俱增，而海洋覆盖了地球约百分之71的面积。海洋蕴含着丰富的资源，是一片尚未完全开发的宝地，世界各国对于海洋资源的争夺与开发已经愈演愈烈，而开发海洋需要各种海洋设备的支撑。
本文根据设计任务书，设定水下自主航行器的技术指标，针对水下自主航行器分层设计，主要进行水下自主航行器的结构设计，水下自主航行器的耐压壳体设计，其中包括耐压壳体的材料选用、计算校核、密封设计以及观察窗的设计；水下自主航行器推进装置与舵的设计，其中包括推进器排列设计、推进器的选用、系统与舵的设计、密封设计；水下自主航行器的防腐蚀设计。
Abstract
Theoceanisahugeuntappedtreasuretroveofhumanity,includingmanyfreshwaterlakesdeepwater,efficientuseofresourcesoftheoceanandlakesforhumansurvivalanddevelopmentisessential.Underwaterrobotsindevelopmentandexploration,thecivilianaspectsofsearchandrescueandscientificresearch,themilitaryreconnaissanceandunderwaterresourcesandotherconfrontationisveryimportantpart,becauseofitsuniqueunderwaterrobotsunderwaterenvironmentaladaptability,comparedtoartificialconvenienceandotheradvantages,hasbecomeahotresearchfieldintoday'ssociety.
另外按照用途、运动方式、控制方式等也可将水下机器人划分为不同种类，在此不一一叙述。
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水下机器人在军事以及国民经济中发挥重要的作用，国内外对于水下自主航行器的研究与发展给予了高度的重视。水下自主航行器（AUV）自二十世纪开始发展于七十年代步入发展探索阶段，并于八十年代进入原型设计和设计阶段，概念验证原型POC得到开发、检测和应用，这时候的AUV处于初时原始阶段，体型臃肿、效率迟缓、造价昂贵。这种情况持续到九十年代，其发展由原型进入样机阶段，AUV的发展与微电子科技、计算机技术、自主智能科技、小型化航线控制设备、控制科技等息息相关，九十年代众多技术为AUV的发展奠定了科技支持促进其走向成熟。世界范围的自主航行器在国家支持下持续进步。
美国的AUV技术发展起始于Rebikoff的SEASPOOK和美国华盛顿大学SPURV，同时这也是世界AUV的起始。美国存在年度的大学AUV竞赛，也有年度海上“Demonstration”AUV盛会，全国十余所AUV研究前沿机构参会。国内拥有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究机构。产品包括在伊拉克战争中大放异彩的REMUS（图1-1）系列、科考用的ABE（图1-2）型号、高性能小型AUV-BPAUV（图1-3）等。并且在国家层面具有“海军无人潜航器计划”等战略计划，北约也有M02015无人水下航行器发展计划。
完成日期：
指导教师签字：
答辩小组成员签字：
摘要
海洋是人类尚未完全开发的巨大宝库，有效的利用海洋及湖泊的资源对于人类的生存和发展至关重要。水下机器人在水下资源的开发与探查、民用方面搜救与科研、军事侦察与对抗等方面都是非常重要的组成部分。水下机器人由于Biblioteka Baidu独特的水下环境适应性、相较于人工的方便性等优势，目前已经成为当今社会的热门研究领域。
对于水下自主航行器具体的设计从分层设计入手，由上至下进行设计，分别采用具体设计、概念设计、预留空间等设计方法。初步设计的具体方法为：判别设计要求之后，结合前人所做的数据分析，从多种设计方案中选用最优的设计方案进行进一步的研究，随后选用经验公式进行初步的校核，完成初步的设计。
为了更好的研究AUV的水下性能，本文选用solidworks的SimulationXpress功能对AUV进行静态分析，主要对于AUV的耐压壳体、舵进行校核，就压力、变形以及安全系数三个大体方面进行分析。通过对于耐压壳体、舵整体施加压力，划分网格，进行静态分析。
InordertobetterstudyAUVunderwaterperformance,paperselectstheSimulationXpressfunctionsolidworksAUVstaticanalysis,mainlyforAUV'spressurehull,rudderbechecked,conductedonpressure,deformationandsafetyfactorofthreeingeneraltermsanalysis.Throughthepressurehull,theoverallpressureontherudder,mesh,staticanalysis.
Accordingtothedesignplan,settingAUVtechnicalindicators,theAUVhierarchicaldesign,mainlyforAUVstructuraldesign,someinvolvedareAUVwithstandvoltagehousingdesign,includingpressurehullmaterialselection,calculationcheck,sealdesignandthedesignoftheobservationwindow;AUVpropulsiondeviceandrudderdesign,includingthechoiceofpropellerarrangementdesign,propulsion,systemandrudderdesign,sealdesign;corrosiondesigntheautonomousunderwaternavigation.
对设计完成的AUV进行基于AnsysWorkbench三维动态分析，模拟AUV附近流场的运动，划分网格、设定边界条件，分析得到结果，将分析得到的结果与经验公式的计算值相比较，综合考虑速度与压力等因素，验证设计的安全可行性。设计合理则采用，反之修改设计，最终完成AUV的整体结构设计工作。
关键词：自主水下航行器；结构设计；有限元分析；仿真模拟
海洋具有丰富的资源，海洋生物可以食用、药用、科研、娱乐观赏与提取生物能等；海洋潮汐、温差等物理资源可以用于发电；海洋中的化学资源，例如海水中的淡水、痕量元素（金、铀、氘、溴、碘、镁、钾等）、化合物（食盐、芒硝、石膏、重水、卤水等）等；海洋中的矿物资源（锰核、石油、天然气、矿砂、底砂等）；以及海洋的空间资源等[1]。
日本作为岛国一直重视海洋的开发，是深海AUV开发的强国，1995年“海沟”作为当年的世界纪录保持者，下潜深度达到10911m，其他AUV拥有如在海洋调查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（图1-4）等型号AUV，总体偏向民用深海开发，拥有三菱重工业公司等领军公司机构；UK较著名的有BAE系统公司的护身符（图1-5）军用多功能AUV；韩国拥有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄罗斯也自二十世纪60年代开始研发，拥有如军用MT-88号、MIR1、MIR2（图1-6）等多个型号的AUV；挪威拥有自身的军用AUV发展计划，并且拥有HUGIN（图1-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在执行北冰洋海底光缆铺设时大放异彩，同时拥有RAY、Sunfish等AUV；AUS拥有“海龟”用以水下研究以及“Wayamba”等AUV[8]。
从军事方面出发，21世纪的海上力量离不开水下机器人的发展，在9个重点的方面：情报/监视/侦察（ISR）、水雷对抗（MCM）、反潜战（ASW）、检测/识别（ID）、海洋学、通信/导航网络节点（CN3）、有效载荷发送、信息战（IO）、时敏打击（TCS），我们都需要依赖水下机器人的高技术力量。
目前水下机器人向着深海远程、导航通讯一体化、隐蔽性、小型化、智能化、灵活的机动性和多使命的重构性、多AUV协调工作等方面发展。