面向核电水池作业的水下机器人及其动力学特性研究

发布时间：2020-05-17 18:13

【摘要】：能源危机和环境污染问题日益凸显,促使人类不断探索新能源,核能作为一种清洁、高效的新能源走入了人们视野。在过去几十年,世界各地兴建了数以千计的核电站,但从2011年日本福岛核事故后,核电安全引起世界各国的广泛关注。核电水池是电站的核心部分之一,一旦发生破损,易引发核事故。以往都是采用人工方式对核电水池进行修复,不仅效率低,而且容易对作业人员造成伤害。因此,开展以应急状态下水下焊接为主,日常巡查为辅,可以适应核电水池环境,能够代替人工的水下机器人设计及相关技术研究,具有深远的现实意义。针对核电水池应急状态下的焊接作业和日常的巡查任务,设计了一款包括控制子系统、机械本体子系统和线缆收放子系统的全方位运动水下机器人系统。该机器人的本体子系统作为核心部分,采用开架式结构,内部搭载以三自由度移动机构为主体的焊接装置和观测设备等;在本体上矢量布局八个推进器,在其作用下机器人具备水下全方位运动功能,进而实现了多障碍环境下的水下巡查检测,并能够依靠顶层推进器产生的推力实现池底和池壁的附着定位,以便进行更加准确的检测或焊接作业。另外,机器人在水下运动时,通过调节三自由度移动机构运动,可以减小恢复力、恢复力矩对机体的影响,有助于机体实现翻转运动;在机器人附着定位时,通过控制三自由度移动机构的运动,可以通过观测设备与焊枪,完成目标跟踪和焊接作业。机器人系统中的尾端线缆用于信号传输,以及为机体和作业装置供电,能够满足水下焊接大电流供电的需要。水下机器人本体的控制器设计和操纵性研究,均是建立在机器人本体动力学模型基础之上的。为了建立准确的动力学模型,对机器人本体的主要扰动因素进行了深入分析。机体在水下运动时始终处于悬浮状态,导致机体运动稳定性随之降低,因此,水动力、线缆力成为影响机体控制和稳定性的主要扰动因素。为了准确揭示机器人本体运动,尤其是翻转运动时的水动力特性,建立了核电水池环境下的水动力模型。在模型中,不仅包括广域的水动力系数,还包含了因壁面阻碍而产生的近壁水动力因素。借助CFD仿真计算,虚拟仿真了机器人本体的直航运动试验、斜航运动试验、平面运动机构试验和悬臂运动试验,求解了相关的水动力系数,并提出了一种近壁水动力的仿真计算方法,完成了在机器人近壁运动时受到的水动力求解。尾端线缆会对机器人本体的运动和定位产生明显的扰动作用,因此,有必要对尾端线缆的力学特性进行计算分析。根据水池环境的特殊性,利用线缆微元法,分别建立了稳态运动、动态运动下的线缆三维力学模型。通过数值仿真计算,分析两种工况下机器人尾端线缆上各点的力学特性。并根据绞盘车与线缆连接点受力变化情况,为绞盘车的控制器的设计提供了参考数据。之后进行了无缆状态下和有缆状态下机器人本体的运动仿真计算,对比分析了水下机器人系统中线缆对本体的影响作用。根据前述设计,研制了水下机器人系统的原理样机,在室内水池内,开展了机器人运动性能测定试验,验证了水下机器人系统设计的各项指标。搭建了测试系统,借助循环水槽,开展了机器人的水动力测试试验。通过试验,测算了动力学模型中的水动力系数和近壁水动力特征参数,并与仿真计算结果对比,证明了CFD仿真计算的可信性。之后搭建了线缆力测试平台和制备了试验模型,在循环水槽内,开展了尾端线缆力学特性的试验研究,得到了不同水流流速下,线缆的稳态力学特性、动态力学特性参数曲线,验证了线缆力学模型和数值计算方法的正确性。
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作业设备,三自由度,作业装置

第 2 章全方位运动与附着作业水下机器人系统设计人作业装置设计急状态下的核电水池焊接修复和日常状态的了一套可以完成以上任务的作业装置在这包括焊枪送丝机构）摄像头等，还包括一图 2-3 所示，其中末端执行器与摄像头组合上由于水下焊接技术和焊接设备不是本文

水下机器人,三维模型

置为了满足移动载体运动和作业装置找寻焊缝的需要常工作提供可能水下照明装置的核心部分是 LED 制保护罩，其尺寸约为 65 mm×116 mm，主要目的止核辐射高温和酸性环境对照明装置产生影响整kg，，额定功率为 20 W，额定电压 24 VDC，最大工作作寿命 50000 h主要用于记录水下视频信息，尤其在对核电水池池底频信息将会成为焊接修复的重要诊断依据水下摄像S-2ZMN2007 型摄像机，为了保证在水下正常使用，壳，以达到防水和免于核电环境影响的目的摄像机ressive Scan CMOS，具有 20 倍光学放大功能，焦距可任意变化上的分析，可以得到水下机器人本体的推进器的选型结构与尺寸浮力材料配平照明装置选型作业装果，并根据水下机器人的设计指标，建立了水下机器 2-4 所示
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

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