基于流固耦合的管道機器人清淤裝置 外載荷參數優(yōu)化

，

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

管道清淤機器人在極端復雜的排水管道進行清淤作業(yè)，其清淤裝置的剛度和強度對清淤能力起到至關重要的作用，為驗證該管道機器人的清淤能力，對清淤裝置進行流固耦合強度分析，并應用參數優(yōu)化的方法對刮刀、扇形盤和清淤裝置整體進行有限元分析，對外載荷可行域進行優(yōu)化計算。

機械結構的有限元強度和剛度分析在機械設計、結構優(yōu)化、研究機械結構可靠性等方面應用廣泛。劉平將有限元分析與經典史密斯算法進行對比,驗證了有限元分析的可靠性[1]；張庶等建立了裝配狀態(tài)下的有限元模型，得到了裝配體之間剛度與強度的相互影響規(guī)律[2]；丁玉慶等通過對轎車車身的強度、剛度分析，提出改進方案，降低了最大應力[3]。

參數優(yōu)化的方法大多應用于機械結構的設計和結構優(yōu)化領域，極少應用于剛度和強度的分析中，彭歡[4],胡丹梅[5]等均應用參數優(yōu)化的方法對相應結構進行優(yōu)化研究。本文應用參數優(yōu)化的方法，將清淤裝置的外載荷、應力和應變等參數化，并以應力和應變作為約束條件，應用ANSYS進行了參數優(yōu)化計算。

1 管道機器人及清淤裝置

管道機器人模型見圖1，由推進系統(tǒng)和清淤裝置組成，推進系統(tǒng)為整機提供前進動力。

圖1 管道機器人模型

在推進系統(tǒng)和主軸旋轉時實現刮削—攪拌—過濾—推進—自流沖刷的五位一體清淤動作。其中，刮刀的刮削，刮刀、扇形盤和葉片的攪拌對后續(xù)的清淤效果起到至關重要的作用，清淤裝置剖視圖見圖2，該清淤裝置具有過載保護和越障的能力，通過刮刀前錐面、扇形盤(滑塊)、彈簧以及滑道實現。在高速旋轉清淤時，刮刀、扇形盤及葉片的強度和剛度是衡量該清淤裝置工作能力的重要參數，需對其進行研究。

圖2 清淤裝置剖視圖

2 流固耦合強度分析

對清淤裝置進行流固耦合分析，得到流體作用下清淤裝置的應力分布狀態(tài)，驗證流體對清淤裝置強度的影響。

通過對污泥的流變特性進行分析，確定清淤攪拌轉速范圍為20～100 r/min時污泥的黏度趨向于極限黏度[6]，查閱城市排污管道相關資料[7]，設定清淤工況，參數如表1。

表1 清淤裝置的工況參數

得到流體作用于清淤裝置的最大應力分布，需在清淤盤的極限轉速為100 r/min，軸向前進速度為2.5 m/s和流體流速為2.5 m/s時，進行流固耦合仿真分析。得到流體作用下清淤裝置的表面壓力分布圖見圖3，清淤裝置基于壓力的流體運動曲線見圖4。

圖3 清淤裝置的表面壓力分布

圖4 基于壓力的流體運動曲線

仿真結果分析：

清淤裝置最大表面壓力和流體最大壓力均出現在清淤裝置貼近管道下方處，有利于刮刀將管道底部的淤泥攪拌至推移狀態(tài)。

清淤裝置最大壓力為68.5 Pa，流體最大壓力為0.1 MPa，清淤裝置的屈服應力為280 MPa，故流體對結構作用的壓力遠遠小于屈服極限，故流體對結構的強度影響很小。

(三)目前我國經濟發(fā)展速率已經出現了一定的下滑，且隨著人民幣貶值、國內經濟轉型等客觀壓力。經濟發(fā)展中的不穩(wěn)定因素得到進一步凸顯。而形成有效的國際財經合作體系則是共同抵抗風險的有效路徑。通過建立穩(wěn)步的國際財經合作體系擴大有效的基本盤，綜合提升各個地區(qū)的經濟穩(wěn)定程度是保障我國經濟持續(xù)發(fā)展的根本。

如圖4，流體在進入清淤裝置時，隨著清淤裝置進行高速旋轉；通過清淤裝置后，流體處于高速無規(guī)則運動，清淤效果顯著。

3 外載荷參數優(yōu)化

清淤裝置在清淤過程中難免會遇到較大阻力的工況，其彈簧系統(tǒng)具有越障和過載保護功能，該功能主要依靠刮刀的軸向和切向力過大時實現， 經過第2節(jié)的流固耦合分析，可忽略流體對清淤裝置的強度分析。對清淤裝置的受力分析見圖5，其中，Fτ為切向刮削力，Fn為軸向淤積物沖擊力，分析可知刮刀、扇形盤是發(fā)生最大彎矩的零件。

圖5 受力簡圖

3.1 建立優(yōu)化模型

參數優(yōu)化的目的是，在清淤裝置滿足預定的剛度和強度的基礎上，尋找刮刀錐面處可承受的最大外載荷。參數化優(yōu)化數學模型為：

(1)

xi為不同大小外載荷；Fi,Fj分別為切向刮削力和軸向沖擊力(根據有限元靜力學分析試探性設置外載荷參數變化范圍：100 N≤Fτ≤5 000 N，100 N≤Fn≤5 000 N)；σmax為清淤裝置所受最大應力；[σ]基盤許用應力(查閱資料參照水輪機葉片的安全系數最大為2.5，結構的屈服應力為280 MPa，故設定許用應力為112 MPa);δmax為基盤最大變形；[δ]為基盤許用形變(3 mm，按照管徑直徑1%要求)。

3.2 參數優(yōu)化計算

將簡化的清淤裝置三維模型導入到ANSYS中，因六面體網格相比四面體網格單元數量少，能降低分析計算誤差，適用于網格質量高的結構，所以采用六面體網格劃分方法進行網格劃分，得到有限元模型如圖6，劃分網格單元27 325個，節(jié)點數17 566個，網格排列緊湊規(guī)整，質量高。

圖6 有限元模型

對有限元設定約束如圖7，在清淤裝置旋轉前進過程中，刮刀的錐面可實現越障和過載保護功能,是受外載荷的部位。

圖7 有限元約束

進行有限元靜力學計算，通過Parameter Set參數連接Response Surface Optimization模塊建立參數優(yōu)化模塊，并計算。

3.3 參數優(yōu)化后處理

圖8 外載荷與刮刀關系

圖9 外載荷與扇形盤關系

圖10 外載荷與清淤裝置關系

結果分析見表2，軸向力參數區(qū)間100～5 000 N，切向力參數區(qū)間1 000～5 000 N。

仿真結果表明：

在軸向力參數區(qū)間100～5 000 N內，刮刀、扇形盤和清淤裝置整體的應力均滿足設定安全系數最大為2.5時，材料的許用應力為112 MPa的要求，其中清淤裝置最大應力達到110 MPa接近許用應力值；變形均滿足許用形變3 mm的要求。

表2 仿真結果分析

在切向力參數區(qū)間100～5 000 N內，刮刀、扇形盤和清淤裝置整體的變形均在許用形變內；刮刀和清淤裝置的最大應力大于許用應力，扇形盤的最大應力小于許用應力，所以切向刮削力的選取需要進一步優(yōu)化。

3.4 響應面優(yōu)化分析

進入Response Surface Optimization項目的 Optimization模塊，建立優(yōu)化參數的優(yōu)化目標，即設定應力上限為112 MPa，進行優(yōu)化計算，得到在應力約束的條件下軸向沖擊力與切向刮削力的許用值見圖11；變形上限為3 mm，進行優(yōu)化計算，在變形約束條件下的軸向沖擊力與切向刮削力的許用值見圖12。

圖11 應力約束下軸、切向力許用關系

由圖12分析，在變形約束下，軸向沖擊力和切向刮削力在其變化范圍內均可行。

方形為可行點，圓形為不可行點，由圖11分析：在應力約束下，切向力最大允許3 500 N，軸向力在100～5 000 N內均可行。

圖12 變形約束下軸、切向力許用關系

4 結束語

本文應用有限元方法，從流體沖擊和固體沖擊兩方面對清淤裝置的外載荷進行了計算，得到結論如下：

①應用流固耦合的方法對清淤裝置整體進行有限元計算，驗證在極限流體沖擊下，流體對結構的強度影響不大，可忽略不計。

②應用參數優(yōu)化的方法，以強度和剛度為約束條件，以外載荷為參數變量，對清淤裝置的刮刀端部外載荷進行有限元優(yōu)化分析，通過軸向沖擊力和切向刮削力的可行域，確定清淤裝置的作業(yè)能力，為清淤裝置的過載保護和越障系統(tǒng)的設計計算提供理論參考。

③切向力對結構的應力影響顯著，對變形影響呈線性增加；軸向力對變形影響顯著，對應力呈線性增加。