【摘要】：能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益凸顯,促使人類不斷探索新能源,核能作為一種清潔、高效的新能源走入了人們視野。在過去幾十年,世界各地興建了數(shù)以千計(jì)的核電站,但從2011年日本福島核事故后,核電安全引起世界各國的廣泛關(guān)注。核電水池是電站的核心部分之一,一旦發(fā)生破損,易引發(fā)核事故。以往都是采用人工方式對(duì)核電水池進(jìn)行修復(fù),不僅效率低,而且容易對(duì)作業(yè)人員造成傷害。因此,開展以應(yīng)急狀態(tài)下水下焊接為主,日常巡查為輔,可以適應(yīng)核電水池環(huán)境,能夠代替人工的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究,具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)核電水池應(yīng)急狀態(tài)下的焊接作業(yè)和日常的巡查任務(wù),設(shè)計(jì)了一款包括控制子系統(tǒng)、機(jī)械本體子系統(tǒng)和線纜收放子系統(tǒng)的全方位運(yùn)動(dòng)水下機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人的本體子系統(tǒng)作為核心部分,采用開架式結(jié)構(gòu),內(nèi)部搭載以三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)為主體的焊接裝置和觀測設(shè)備等;在本體上矢量布局八個(gè)推進(jìn)器,在其作用下機(jī)器人具備水下全方位運(yùn)動(dòng)功能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多障礙環(huán)境下的水下巡查檢測,并能夠依靠頂層推進(jìn)器產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)池底和池壁的附著定位,以便進(jìn)行更加準(zhǔn)確的檢測或焊接作業(yè)。另外,機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),通過調(diào)節(jié)三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),可以減小恢復(fù)力、恢復(fù)力矩對(duì)機(jī)體的影響,有助于機(jī)體實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);在機(jī)器人附著定位時(shí),通過控制三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),可以通過觀測設(shè)備與焊槍,完成目標(biāo)跟蹤和焊接作業(yè)。機(jī)器人系統(tǒng)中的尾端線纜用于信號(hào)傳輸,以及為機(jī)體和作業(yè)裝置供電,能夠滿足水下焊接大電流供電的需要。水下機(jī)器人本體的控制器設(shè)計(jì)和操縱性研究,均是建立在機(jī)器人本體動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)之上的。為了建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)機(jī)器人本體的主要擾動(dòng)因素進(jìn)行了深入分析。機(jī)體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)始終處于懸浮狀態(tài),導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性隨之降低,因此,水動(dòng)力、線纜力成為影響機(jī)體控制和穩(wěn)定性的主要擾動(dòng)因素。為了準(zhǔn)確揭示機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng),尤其是翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力特性,建立了核電水池環(huán)境下的水動(dòng)力模型。在模型中,不僅包括廣域的水動(dòng)力系數(shù),還包含了因壁面阻礙而產(chǎn)生的近壁水動(dòng)力因素。借助CFD仿真計(jì)算,虛擬仿真了機(jī)器人本體的直航運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、斜航運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)和懸臂運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),求解了相關(guān)的水動(dòng)力系數(shù),并提出了一種近壁水動(dòng)力的仿真計(jì)算方法,完成了在機(jī)器人近壁運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的水動(dòng)力求解。尾端線纜會(huì)對(duì)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)和定位產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)作用,因此,有必要對(duì)尾端線纜的力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)水池環(huán)境的特殊性,利用線纜微元法,分別建立了穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)下的線纜三維力學(xué)模型。通過數(shù)值仿真計(jì)算,分析兩種工況下機(jī)器人尾端線纜上各點(diǎn)的力學(xué)特性。并根據(jù)絞盤車與線纜連接點(diǎn)受力變化情況,為絞盤車的控制器的設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。之后進(jìn)行了無纜狀態(tài)下和有纜狀態(tài)下機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算,對(duì)比分析了水下機(jī)器人系統(tǒng)中線纜對(duì)本體的影響作用。根據(jù)前述設(shè)計(jì),研制了水下機(jī)器人系統(tǒng)的原理樣機(jī),在室內(nèi)水池內(nèi),開展了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測定試驗(yàn),驗(yàn)證了水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。搭建了測試系統(tǒng),借助循環(huán)水槽,開展了機(jī)器人的水動(dòng)力測試試驗(yàn)。通過試驗(yàn),測算了動(dòng)力學(xué)模型中的水動(dòng)力系數(shù)和近壁水動(dòng)力特征參數(shù),并與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比,證明了CFD仿真計(jì)算的可信性。之后搭建了線纜力測試平臺(tái)和制備了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在循環(huán)水槽內(nèi),開展了尾端線纜力學(xué)特性的試驗(yàn)研究,得到了不同水流流速下,線纜的穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)曲線,驗(yàn)證了線纜力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法的正確性。
【圖文】：

第 2 章 全方位運(yùn)動(dòng)與附著作業(yè)水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人作業(yè)裝置設(shè)計(jì)急狀態(tài)下的核電水池焊接修復(fù)和日常狀態(tài)的了一套可以完成以上任務(wù)的作業(yè)裝置 在這包括焊槍 送絲機(jī)構(gòu)） 攝像頭等，還包括一圖 2-3 所示，其中末端執(zhí)行器與攝像頭組合 上 由于水下焊接技術(shù)和焊接設(shè)備不是本文

置為了滿足移動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)和作業(yè)裝置找尋焊縫的需要常工作提供可能 水下照明裝置的核心部分是 LED 制保護(hù)罩，其尺寸約為 65 mm×116 mm，主要目的止核輻射 高溫和酸性環(huán)境對(duì)照明裝置產(chǎn)生影響 整kg，，額定功率為 20 W，額定電壓 24 VDC，最大工作作壽命 50000 h主要用于記錄水下視頻信息，尤其在對(duì)核電水池池底頻信息將會(huì)成為焊接修復(fù)的重要診斷依據(jù) 水下攝像S-2ZMN2007 型攝像機(jī)，為了保證在水下正常使用，殼，以達(dá)到防水和免于核電環(huán)境影響的目的 攝像機(jī)ressive Scan CMOS，具有 20 倍光學(xué)放大功能，焦距可任意變化上的分析，可以得到水下機(jī)器人本體的推進(jìn)器的選型結(jié)構(gòu)與尺寸 浮力材料配平 照明裝置選型 作業(yè)裝果，并根據(jù)水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立了水下機(jī)器 2-4 所示
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2668965