刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析.pdf
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1、第21卷第4期2023年8月Vol.21 No.4Aug.2023中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析李明昊1,牛昊1,范佳艺2,赵丽娟3,4,乔捷1(1.沈阳理工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110159;2.沈阳航空航天大学 机电工程学院,辽宁 沈阳 110136;3.辽宁工程技术大学 机械工程学院,辽宁 阜新 123000;4.辽宁省大型工矿装备重点实验室,辽宁 阜新 123000)摘要:仿生机器鱼在水下工作时受载复杂,仿生机器鱼结构的可靠性对其综合性能有着重要的影响。
2、基于扑翼推进理论,利用Matlab软件分析机器鱼尾鳍的瞬时负载。结合虚拟样机技术,建立以尾鳍传动轴为模态中性文件的仿生机器鱼刚柔耦合虚拟样机模型,分析确定传动轴的薄弱环节,结合随机载荷疲劳可靠性理论,构建以损伤量为指标的疲劳可靠度分析方法,得到了不同应力循环次数下的疲劳可靠度规律。将刚柔耦合虚拟样机技术与扑翼推进理论和随机载荷疲劳可靠性理论相结合,提出一种应用于水下仿生机器人的动态可靠性设计方法。关键词:仿生机器鱼;扑翼;刚柔耦合;疲劳寿命;可靠性中图分类号:TP 242 文献标志码:A 文章编号:1672-5581(2023)04-0358-05Rigid-flexible coupling
3、 dynamic fatigue reliability study on bionic fish driving shaftLI Minghao1,NIU Hao1,FAN Jiayi2,ZHAO Lijuan3,4,QIAO Jie1(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,Liaoning,China;2.School of Mechatronics Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,Liao
4、ning,China;3.College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning,China;4.Liaoning Provincial Key Laboratory of Large-Scale Mining Equipment,Fuxin 123000,Liaoning,China)Abstract:Due to the complex loads on a bionic robotic fish operating underwater,the reliability of
5、 its working mechanism has an important effect on its overall performance.The instantaneous load on the caudal fin of the robotic fish were obtained based on the flapping-wing propulsion theory with Matlab.A rigid-flexible coupled virtual prototype model for the caudal fin drive as a flexible member
6、 of the bionic robotic fish was established,and dynamic simulations were conducted on the model.The simulations revealed the weak links in the drive shaft and established a damage level indicator based on damage theory.The weak link of the transmission shaft was obtained,the fatigue reliability anal
7、ysis method based on damage quantity was constructed with the fatigue reliability theory,and the fatigue reliability law under different stress cycles was obtained.Combining rigid-flexible coupling virtual prototype technology with flapping wing propulsion theory and random load fatigue reliability
8、theory,a dynamic reliability design method for underwater bionic robot was proposed.Key words:bionic robotic fish;flapping wing;rigid-flexible coupling;fatigue life;reliability 仿生机器鱼是海洋探测领域重要的平台和工具1,仿生机器鱼的尾鳍作为推进装置,其传动零部件受负载,易失效。近年利用虚拟样机对仿生机器鱼的研究有:朱兴华2对鱼类的游动机理进行了分析,设计一种2自由度的仿生机器鱼,并对推进载荷进行了数值模拟,为仿生机器鱼
9、的设计和研发基金项目:国家自然科学基金资助项目(51674134);辽宁省博士科研启动基金计划项目(2020-BS-153);辽宁省教育厅青年科技人才“育苗”项目(LG202029)作者简介:李明昊(1990),男,副教授,博士。E-mail:通信作者:牛昊(2000),男,硕士研究生。E-mail:第4期李明昊,等:刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析提供了重要的理论方法;林鑫3建立了仿生机器鱼的尾鳍虚拟样机模型,分析尾鳍机构多关节位移规律,得到多关节之间的运动关系曲线;张祺等4基于虚拟样机技术对仿生机器鱼进行了动力学仿真,采用不同驱动函数对仿生机器鱼的游动姿态进行分析,获得了最优的驱
10、动方式。通过调研发现,基于刚柔耦合的仿生机器鱼动态可靠性分析鲜有报道。在水下工作的仿生机器鱼,其动态载荷复杂,将刚柔耦合虚拟样机技术与扑翼推进理论、随机载荷疲劳可靠性理论相结合,可评估动态载荷条件下的仿生机器鱼可靠性,为水下工作的仿生机器人的设计、研发提供了数据支撑和新的方法。1 理论背景 1.1仿生机器鱼尾鳍推进机构运动机理分析仿生机器鱼是通过尾鳍的摆动获得推动力,基于扑翼理论,对尾鳍单自由度的运动进行分析5-6,如图1所示。=t+Asin(t+i)(1)式中:t为偏移量;A为摆动幅值;为摆动频率;i为相位角。Vw为尾鳍机构摆动时的线速度,V0为液体流动速度,Vhe为Vw和V0的合速度,尾鳍
11、运动的升力为Fsl=12ytAwqCslVhe2(2)式中:yt为仿生机器鱼运动环境的液体密度;Awq为尾鳍的投影面积;Csl为尾鳍摆动时的升力系数。仿生机器鱼在运动过程中,尾鳍还会产生附加质量力Ffj7,计算公式为Ffj=14c2b(Vheddt+c2d2dt)(3)式中:c、b分别为扑翼的弦长和展长。图1中尾鳍的推力Fzs=Fsl+Ffj。尾鳍在运动过程中阻力为Fzl=12ytAwqCzlV2he(4)式中:Czl为阻力系数。1.2疲劳可靠性分析理论迈纳线性损伤理论是分析非线性载荷条件下机械零部件可靠度的关键理论;迈纳线性损伤理论认为当机械零件的损伤累积为1时失效8,数学表达式为D=n1N
12、2+n2N2+nnNn=i=1nniNi(5)Ni=(i10ap)1bp(6)式中:D为总累计损伤量,当D累积为1时,零件失效;ni为零件在应力水平i的作用次数;Ni为应力水平i作用的次数;ap和bp为S-N曲线参数。2 仿生机器鱼尾鳍推进机构动态可靠性分析 2.1关键零件模态中性文件的建立以某公司研发的仿生机器鱼为分析对象,利用UG建立的三维模型如图2所示。直行运动为仿生机器鱼的主要运动方式,直行运动的输出传动轴受载最大,因此建立其模态中性文件进行分析。利用有限元软件ANSYS对传动轴进行网格划分。生成传动轴的模态中性文件9,如图3所示。图1扑翼受力分析Fig.1Force analysis
13、 of flap wing图2仿生机器鱼三维模型Fig.23D model of bionic robotic fish图3模态中性文件Fig.3The modal neutral file359第21卷中 国 工 程 机 械 学 报2.2尾鳍推进机构动态可靠性分析基于扑翼理论,对仿生机器鱼直行和转弯运动时尾鳍进行受力分析,如图4和图5所示。基于式(1)式(6)和图 4、图 5,利用 Matlab模拟得到仿生机器鱼的瞬时负载,如图 6所示。利用ANSYS生成刚柔耦合需要的模态中性文件(modal neutral file,mnf),对mnf文件进行优化处理并替换刚性体。建立的仿生机器鱼刚柔耦合
14、模型,如图7所示。根据所生成瞬时负载文本文件的仿真步长和时间的设置,设定仿生机器鱼刚柔耦合虚拟样机仿真步长为0.01,仿真时长为10 s;为保证仿真效率,将含有模态中性文件的刚柔耦合模型仿真积分器和积分格式分别设定为WSTIFF和SI2,仿真成功后在后处理模块中得到传动轴的应力结果如图8图9所示。由图8图9可知,仿生机器鱼尾鳍推进机构传动轴受力成周期性变化,最大等效应力值及时间为135.1 MPa和0.16 s,小于屈服强度值205 MPa,安全系数为1.517,均值为70.959 MPa。最大等效应力值节点N 89位于平键槽处。图4直行运动分析Fig.4The analysis of str
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