用波动方程建立蠕动爬行攻泥机器人海底土力学运动模型.pdf

文章编号?2?2?2?用波动方程建立蠕动爬行攻泥机器人海底土力学运动模型王建新 林 扬?中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳?摘 要?针对目前国内海底蠕动爬行机器人攻打千斤洞的特点?在对海洋沉积土的工程性质进行分析的基础上?利用流变力学的理论?提出用波动方程来建立攻泥机器人周期性冲击土壤的力学模型?用后向差分法解波动方程?得到土壤的位移和变形公式?确定土壤对攻泥机的阻力?通过对模型的仿真?证明了用该模型计算阻力的可行性?关键词?波动方程?蠕动爬行?攻泥机器人?海底土力学运动模型中图分类号?文献标识码?2?2?2?2?2?2?1 引言?国内外打捞沉船目前大部分采用浮筒打捞法?即打捞时先把吊钢缆?千斤缆?通过导缆逐级引导?进入沉船底的千斤洞?穿越沉船?然后将浮筒通过起吊钢缆与沉船体固定在一起?通过浮筒的上浮把船带出水面?攻打千斤洞和穿缆作业都由潜水员完成?由于水下作业环境恶劣?对潜水员而言?进行水下打洞!穿带千斤缆是一项劳动强度大!效率低且危险性高的工作?特别是深度较大!地质复杂的海区?难度更大?因此?海军防救和国内打捞部门急需一种自动攻泥打洞穿缆的机器?来代替潜水员的手工劳动?以降低潜水员的劳动强度?提高打捞沉船的效率?针对这种情况?我国自?年代以来就进行了这方面的尝试?提出了几种方法并进行了试验?如火箭攻泥!机械挖沟并钻掘!自治式爬行拱泥机器人等?但由于一些关键技术没有解决?至今尚未突破?尽管如此?海军防救部门和地方防救部门仍在继续努力?国内一些研究单位也在进行着不懈的探索?且提出了不少的方案?如中国科学院沈阳自动化研究所提出了水下蠕动爬行攻泥机器人的方案?哈尔滨工程大学提出了蠕动爬行拱泥机器人的思路?国外已成功研制陆地定向非开挖设备?如气动矛!定向钻?等?但国内海底爬行攻泥机器人?尚未见到报道?无论是攻泥机?还是拱泥机?蠕动过程中都离不开与泥土之间的相互作用?如机器人前方受到的阻力?侧面受到的摩擦力和土壤对尾部的支撑力?这些作用很复杂?涉及到流变力学!流体力学!土壤动力学等方面的知识?并且随着时间!位置的变化而动态地改变?特别是拱泥头受到的阻力?目前国内还仅限第?卷第?期?年?月机器人?收稿日期?于用静态的方法来研究?如用迈耶霍夫极限承载力公式或太沙基极限承载力公式?来计算?尚未有比较完整的机理模型?本文根据土力学的动承载力原理?用波动方程?建立蠕动攻泥机器人与土之间的相互作用模型?弥补了以往单纯静态研究攻泥过程中的某一截面的不足?尽管攻泥头的运动是一个准静态运动?但土壤的破坏是一个连续的过程?可以采用波动方程来计算土壤对攻泥头的阻力?将仿真计算结果和用迈耶霍夫极限承载力法算得的结果跟实验结果对比?表明该模型能更准确地反映真实情况?2 问题的描述?2?1 蠕动爬行攻泥机器人的运动原理该蠕动爬行机器人的本体由前进限位块?!?!?!?!回拉限位块!主推进油缸!攻泥钎头组成?攻泥头首部装有力传感器?用来实时反映攻泥机受到的阻力?并判断攻泥机是否碰到了难以攻进的岩石板块?以便实时地控制攻泥机朝着有利的方向前进?它的运动过程如下?前进限位块扎入土壤提供支反力?油缸推动钎头往前攻出长度为的孔洞?然后令前进限位块回缩?回拉限位块外伸?攻泥钎头不动?反向驱动油缸?带动攻泥机构尾部克服摩擦阻力前进?接着前进限位块外伸?主油缸进油?攻泥头又开始作业?完成一个循环?重复上述动作?攻泥机构蠕动式地向前爬行?借助前进限位块可以实现攻泥机器人的转向?反向驱动油缸可以实现攻泥机器人后退?从而能够控制攻泥机在水下泥土环境中按预定的轨迹?从船底一侧穿到另一侧?完成穿缆作业?图?攻泥机结构示意图?由拱泥机的工作原理可知?一个作业循环中?攻泥机与土壤的相互作用分析得是否正确?关系到攻泥机能否连续地作业?攻泥头往前攻泥时?前进限位块必须能够提供足够的支反力?才能保证攻泥头有效地攻泥?攻泥钎头带动尾部前移时?回拉限位块提供的支撑力?必须能够克服土壤对尾部运动的摩擦阻力?只有这样?才能保证拱泥机连续平稳地作业?由于攻泥头与土壤作用很复杂?土壤处于一种大变形阶段?故本文先对该部分建模?而土壤对后部的摩擦阻力比较简单?放在最后讨论?2?2 土壤受压时的变形特点和它的流变特性攻泥机前方土壤的破坏可分为三个阶段?如图?所示?直线变形阶段?即压密阶段?当攻泥头对土壤的压载小于临塑荷载时?土被压实?攻泥头静止?图?土壤变形过程?机 器 人?年?月?局部剪裂阶段?当攻泥头对土壤的压载大于临塑荷载而小于土壤的极限承载力时?土壤出现塑性变形?随着压力的增大?塑性变形区逐渐扩大?攻泥头开始前进?完全破坏阶段?当压力继续增大?超过土壤的极限承载力?塑性变形区连成连续的滑动面?土被挤出来?攻泥头平稳攻泥?攻泥头在海底土壤中前进?此时攻泥头前方的土壤流体也在运动?该运动很复杂?是一个非线性!大变形的破坏过程?为了简化起见?假设海底土壤为沙质粘土?沙质粘土具有固体的弹塑性质?土体在攻泥头作用下产生弹塑性变形?发生剪切破坏?弹性变形阶段只包括上面的第?阶段?塑性变形指上面的第?!?阶段?表现为土壤被挤向四周?它的流变模型属于?体?其数学描述为?式中为攻泥机前方土壤的弹性系数?为弹性变形?为剪切变形?为粘度?并假设整个行程中?各截面土壤的弹性系数?粘度都一样?拱泥机的单个循环的行程为?3 模型的建立?由于攻泥头的连续运动?导致攻泥头周围和前方受影响的土壤在不断地变化?土壤单一些土壤单元被挤向四周的同时?一些土壤单元被压实?而该被压实的单元下一时刻又被挤向四周?同时又使前方土壤单元被压实?如此引起变形的传播过程?攻泥时受到影响的土壤区域采用迈耶霍夫计算地基极限承载力时所考虑的破坏区域?如图?所示?它是一对数螺旋线?由于应力以波的形式传播?采用粘弹性波动方程建模?该弹性模型为一维波动方程?5?5?5?5?5?5?攻泥头前方某一截面土壤的变形?时间?沿攻泥头轴向前方某一截面的坐标?土壤的弹性系数?土壤密度?截面的面积?土壤的粘性系数?将上述方程的右边看成两部分?前一部分可看成土壤的弹性变形?后一部分看成土壤的塑性变形?图?破坏区域?4 算法分析?采用分离单元法的差分数值解来求解该方程?设攻泥机前方受到影响的土壤由许多个长度为的土壤单元组成?每次攻泥的时间分成许多个间隔?选取的是如此之短?以致于应力波在此时间间隔内尚未由一个单元传递到另一个单元而影响其运动和受力?如果令为临界时间间隔?则?为土体的质量密度?亦即应使?一般取?也可根据经验来取?参考值为?秒?对弹性变形阶段而言?在所取的时间间隔内?单元的运动可近似地作为等速运动来处理?因此任一单元在时间时可写出如下的平衡方程式?5?5?式中表示单元的重量?单元在下一瞬间变速的加速度5?5?用后向差分求得为 5?5?代入上式可得各单元的弹性位移为?第?卷第?期王建新等?用波动方程建立蠕动爬行攻泥机器人海底土力学运动模型?单元的弹性变形量为?与?之差?受到的弹性力则为弹性变形量与弹性系数的乘积?对塑性变形阶段而言?此时土壤被挤向四周?属于一种大变形?引起攻泥头径向上的塑性变形?且塑性变形随着质点离攻泥头中心线的距离而逐渐变小?引起塑性变形的传播过程?单元的剪切变形为?单元变形率为?单元受到的剪切力为粘性系数与剪切速率之积?各单元下一瞬间的速度则随单元现时所受的不平衡力而发生变化?计算从每一个循环攻泥头冲击土体开始?此时攻泥头的冲击速度已知?土壤各单元的受力!位移!速度和加速度均为零?由土壤各单元在时间内的变形量?可以算得作用在下一单元的受力?此力使攻泥头减速但使攻泥头前的土体各单元产生加速度及获得新速度?如此重复对不同的时间间隔及不同单元进行迭代?可得到土壤各单元在每一时刻的速度?迭代终止的条件?拱泥头端面土壤的位移量不再增大?各单元的速度均为零或负值?5 迭代结果及分析?从?!?式可看出?各单元的弹性位移!塑性变形?不仅与本单元本身过去的位移和变形有关?而且跟相邻单元以往的位移和变形有关?初始时刻的弹性位移和塑性变形受到攻泥头攻泥速度的影响?速度越大?产生的弹性位移和塑性变形就越大?将弹性位移和塑性变形的公式看成两部分?一部分是单元本身位移和变形历史对现时刻的影响?另一部分是相邻单元位移和变形历史对现时刻的影响?算例?设某种均质粘性沙土的弹性系数为?不固结不排水剪的抗剪强度指标为?且设土的静止侧压力系数为?土的内摩擦角为?容重为?单元的?为实验样机截面积?为?则?为?设为?设土壤的粘性系数为?在攻泥头刚开始冲击的一瞬间?攻泥头端面单元的弹性位移为?此时下一单元的弹性位移为零?则由迭代公式和判剧?确定该单元以后每时刻位移?弹性阻力和塑性阻力之和决定了攻泥头一个循环中必须克服的阻力?该阻力为攻泥机限位块的设计提供了依据?即前进和回拉限位块的尺寸和形状应按该依据进行设计?本例中?攻泥头受到的阻力为?用迈耶霍夫公式算得该截面上的阻力为?实验测得的数据为?由此可见?用波动方程算得的结果接近实验结果?而且对每次冲击进行分析?还能确定整个攻泥过程的受力情况?而用迈耶霍夫公式只能计算某一时刻某一截面上的阻力?不能反映全过程?土壤各单元的速度为研究攻泥机连续作业提供了依据?若土壤最终的速度达到零?表明攻泥头已走完行程?此时攻泥机必须缩回回拉限位块?攻泥钎头前进?然后利用回拉限位块提供的反力带动尾部前移?完成一个作业循环?6 摩擦力阻力的分析?攻泥机在粘塑性土壤中前进?受到的摩擦力主要由土壤的剪切变形速率来决定?而由弹性变形产生的摩擦阻力很小?可忽略步计?计算摩擦力有下面的模型?3 是攻泥机周围土壤径向上的速度梯度?是粘性系数?当攻泥头机前部或后部前进时?紧贴攻泥机的土层运动速度快一些?而远离攻泥机的土层运动慢一些?相临土层之间在攻泥机的径向上必然存在速度差?该速度差与土层厚度的比值即为速度梯度?分析沿程各个截面的摩擦阻力?确定攻泥机受到的总摩擦阻力?上例中?按为粘性系数的?倍?土层厚度为?算得攻泥机受到的摩擦阻力为?7 结论?本文概述了蠕动爬行攻泥机器人的运动原理?分析了海底土壤的流变力学性质?并在此基础上?提?机 器 人?年?月出用波动方程解决攻泥头与土作用的力学问题?将一个复杂的过程分成许多小单元进行分析?使一个非线性过程通过差分法得到比较好的解答?从而计算出攻泥机头前进过程中的阻力?并与用迈耶霍夫公式计算的结果进行了对比?但这里的结论仅限于将土壤看成理想的弹塑体?没有推广到一般土壤的情况?具体的工程应用中?尚需对公式进行修正?并且要考虑土壤触变等方面的因素?当然?在目前还未充分认清土壤的破坏机理前?本文结论可为水下蠕动爬行攻泥机器人的设计提供依据?参考文献?林扬?孙斌?水下自动攻泥机蠕动爬行工具关键技术研究报告?中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究室?魏洪兴?王立权?袁鹏?杨青梅?孟庆鑫?基于蠕动原理拱泥机器人的海洋土力学模型研究?哈尔滨工程大学学报?21?2?2?钱家欢?殷宗泽?土工原理与计算?中国水利水电出版社?2?2?2?陈希哲?土力学?北京?清华大学出版社?粘塑性力学及工程应用?地震出版社?土动力学?中国建材工业出版社?作者简介?王建新?2?男?中国科学院沈阳自动化研究所硕士研究生?研究领域?海底爬行攻泥机器人的建模和仿真?路径规划和智能控制?上接第?页?第置形状受虎克铰摆范围影响较大?值得一提的是?当虎克铰的圆锥摆角对工作空间的影响是?当虎克铰摆角足够大时?对工作空间的尺寸和形状都无影响?当它逐渐变小时?会使工作空间的顶面!侧面和底面部分或全部消失?随着并联机器人的姿态角绝对值的增大?其相应的姿态工作空间体积将减小?研究的结果用于?2?并联机器人的尺度综合中?有助于合理地选择机构参数和于运动参数的范围和扩大工作空间体积?从而提高机器人的性能?图?虎克铰圆锥摆角变化的影响?2?参考文献?黄真?孔令富?方跃法?并联机器人机构学理论及控制?机械工业出版社?约翰?克雷格?机器人学导论?西北工业大学出版社?邹东林?黄真?六坐标内容式并联数控机床的活动空间?燕山大学学报?2?2?2?9?作者简介?于 晖?2?男?哈尔滨工业大学机器人研究所博士研究生?研究领域?并联机器人机构学和控制的研究工作?孙立宁?2?男?哈尔滨工业大学机器人研究所教授!博导?研究领域?微驱动!微操作!并联机器人!机电一体化技术等方向的研究工作?发表论文?余篇?第?卷第?期王建新等?用波动方程建立蠕动爬行攻泥机器人海底土力学运动模型