تحلیل استحکامی و فرکانس طبیعی یک ربات زیرآبی کنترل از راه دور (ROV) در هوا و آب جهت کاوش در اعماق دریا

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

2 استادیار مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

چکیده

در این مقاله با هدف طراحی یک رونده زیرسطحی کنترل از راه دور جهت جستجو و بازرسی از اعماق دریا، با استفاده از نرم افزار ABAQUS تحلیل تنش و فرکانس طبیعی در خشکی و در زیرآب انجام شده است. برای ایجاد استحکام و شناوری از مواد با استحکام بالا و وزن پایین استفاده شده است تا ربات قابلیت شناوری در شرایط مختلف را داشته باشد. با استفاده از تحلیل فرکانس طبیعی در زیرآب با در نظر گرفتن خواص آکوستیکی سیال آب، تغییرات فرکانس طبیعیROV  مورد تحلیل قرار گرفته است. برای این منظور از تحلیل آکوستیک در نرم‌ افزار ABAQUS  استفاده ‌شده و اثرات جرم افزوده در مودهای مختلف ارتعاش وسیله بررسی ‌شده است. نتایج تحلیل تنش ROV نشان دهنده استحکام ربات زیرآبی در شرایط مرزی بحرانی در زیرآب در اثر نیروهای هیدرواستاتیک و درگ می‌باشد. در تحلیل فرکانس طبیعی با در نظر گرفتن خواص آکوستیک سیال نشان داده‌ شده است که در مودهای فرکانسی بالاتر، اثر سیال اطراف کمتر شده و میزان جرم افزوده آن در فرکانس‌های بالا کاهش می‌یابد. برای تحلیل سیال اطراف سازه، ابعاد سیال تا جایی که افزایش آن دیگر تغییری بر روی فرکانس‌های سازه ایجاد نکند و فرکانس‌های به‌دست‌آمده همگرا شوند افزوده شده است که حدود 5 برابر ابعاد وسیله در زیرآب است. در این تحقیق نشان داده شد که به خاطر اثرات جرم آب، فرکانس طبیعی وسیله تا 40 درصد کاهش خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Strength and natural frequency analysis of Remotely Operated Vehicle (ROV) in air and water for deep sea exploration

نویسندگان [English]

  • Gh Ahmadi Jeyed 1
  • M Gandomkar 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology,, Iran
2 assistant professor, Faculty of Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Iran
چکیده [English]

In This paper aims to design an underwater remotely operated vehicle (ROV) for deep sea search and inspection, using the ABAQUS software, stress and natural frequencies of ROV, onshore and underwater are extracted. High strength and low weight materials have been used to make the ROV float under different conditions. Using natural frequency analysis underwater, considering the acoustic properties of water fluid, the natural frequencies of ROV have been extracted. For this purpose, acoustic analysis has been used in ABAQUS software and the effects of added mass on different modes of vibration of the ROV have been investigated. the stress analysis results show the robustness of the underwater robot at critical boundary conditions due to hydrostatic forces and drag. Natural frequency analysis with has shown that in higher frequency modes, the effect of the surrounding fluid is reduced the effect of added mass at high frequencies. For fluid analysis around the structure, the fluid dimensions are raised until the increase in dimensions no longer changes the structural frequencies. This is about 5 times the size of the device underwater. The study showed that due to the effects of water mass, the device's natural frequencies will decrease up to 40%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • ROV Frame
  • Hydrostatic pressure
  • natural frequency
  • Fluid Acoustic
  • Added Mass
[1] Zanoli, S. M., and Giuseppe C., "Remotely Operated Vehicle Depth Control", Control Engineering Practice, Vol.11, pp.453-459, 2003.

[2] Christ, D., and L. Wernli., "TheROv Manual: A User Guide for Observation Class Remotely Operated Vehicles." 2007.

[3] Cooke, Nancy J. "Human Factors of Remotely Operated Vehicles." In Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, Vol.50, No.1, pp.166-169. Sage CA: Los Angeles, CA: Sage Publications, 2006.

[4] Wang, Wei., "Autonomous Control of a Differential Thrust Micro Rov", Master's Thesis, University of Waterloo, 2007.

[5] Caccia, M., Giovanni Indiveri, and Gianmarco Veruggio. "Modeling and Identification of Open-Frame Variable Configuration Unmanned Underwater Vehicles", IEEE journal of Oceanic Engineering, Vol.25, No.2, pp.227-240, 2000.

[6] Said, M. Farid Muhamad, I. S. Roslan, and SA Abu Bakar., "Conceptual Design of Remotely Operated Underwater Vehicle", Journal of Transport System Engineering, Vol.2, pp.15-19, 2015.

[7] Svendby, E. "Robust Control of ROV/AUVs." Master's Thesis, Institutt for Teknisk Kybernetikk, 2007.

[8] Gomes, Rui MF, A. Martins, Alexandre Sousa, J. B. Sousa, S. L. Fraga, and F. Lobo Pereira. "A New ROV Design: Issues on Low Drag and Mechanical Symmetry", In Oceans IEEE, Europe, Vol.2, pp.957-962, 2005.

[9] Marzbanrad, A., Sharafi J., Eghtesad, M., and Kamali, R., "Design, Construction and Control of a Remotely Operated Vehicle (ROV)." In ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers, pp.1295-1304, 2011.

]10[ غلامرضا وثوقی, آریا الستی و حسین برهان، مدل سازی، طراحی و ساخت یک خودرو کنترل از راه دور زیر سطحی   (Underwater ROV)  جهت انجام عملیات بازرسی زیر آب، ششمین همایش ملی صنایع دریایی ایران، بندرعباس، انجمن مهندسی دریایی ایران، ۱۳۸۳.

]11[ مکفایی، یزدخواستی و طهماسبی. "طراحی ROV لوله گذار". پایان نامه کارشناسی دانشگاه صنعتی مالک اشتر.1389.

[12] Zienkiewicz, O. Co. "Coupled Vibrations of a Structure Submerged in a Compressible Fluid." In Proc.of Symposium on Finite Element Techniques Held at the University of Stuttgart. 1969.

[13] Min, C.H., Park H., Yoo J.H., and Jung H.G.. "An Experimental Study on High-Frequency Vibration Analysis of a Circular Cylindrical Shell in Contact with Water", In The Twenty-first International Offshore and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2011.

[14] Rezvani, S., and Kiasat M.S. "Analytical and Experimental Investigation on the Free Vibration of a Floating Composite Sandwich Plate Having Viscoelastic Core." Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol.18, No.4, pp.1241-1258, 2018.

[15] Shahrabadi, M. A., H. Salarieh, and R. Dehghani Firouzabadi. "Experimental Study on the Effects of Water Depth in Frequency Reduction of Slender Bodies." Aerospace Mechanics Journal, Vol.9, No.2, pp.41-53, 2013.

]16 [سیدساعد رضوانی, سعیدکیاست مهدی, معصومی شهروز. "شبیه سازی ارتعاش پایه جاکت سکوی نفتی تحت نیروی موج در شرایط مختلف اتصال به کف دریا."صص 68-76.‎ دو فصلنامه علمی- پژوهشی دریا فنون، 1394.

[17] Rezvani, S.  and Kiasat M.S., "Analytical and Experimental Investigation on the Free Vibration of a Floating Composite Sandwich Plate Having Viscoelastic Core", Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol.18, No.4, pp.1241-1258, 2018.

[18] Capocci, R, Dooly G., Omerdić E., Coleman J., Newe T., and Toal D.. "Inspection-Class Remotely Operated Vehicles A Review." Journal of Marine Science and Engineering, Vol.5, No.1, pp.13, 2017.

[19]Christ, Robert D., and Robert L. Wernli Sr., "The ROV Manual: A User Guide for Remotely Operated Vehicles. Butterworth-Heinemann, 2013.

[20]https://www.eplastics.com/sheets/abs/textured-general-purpose

[21]www.gurit.com.Gurit® PVC Structural Foam Material is a Cross-Linked PVC Foam for Composite Applications.

[22] http://www.tecnadyne.com/THRUSTER 560

[23]http://cornerstonerobotics.org/curriculum/lessons_year3/eriii10_buoyancy2

[24] www.seaeye.com subseay company. Specialists in the Design and Manufacture of Remotely Operated Vehicles

[25] Dally, William R., and Robert George Dean. "Conceptual Design of a Remotely Operated Vehicle for Beach Surveying.", 1989.

]26 [قدیر احمدی جید, و محمد گندم کار، تحلیل استحکامی چهارچوب یک ربات زیرآبی کنترل از راه دور (ROV) جهت جستجو و بازدید در اعماق دریا، دومین همایش بین المللی مهندسی مکانیک، صنایع و هوافضا، همدان، دبیرخانه دائمی همایش، ۱۳۹۷.

[27] Azis, F.A., Aras, M.S.M., Rashid, M.Z.A., Othman, M.N. and Abdullah, S.S., "Problem Identification for Underwater Remotely Operated Vehicle (ROV): A Case Study", Procedia Engineering, Vol.41, pp.554-560, 2012.

[28] Robinson, N.J., and Palmer S.C.. "A Modal Analysis of a Rectangular Plate Floating on an Incompressible Liquid." Journal of Sound and Vibration, Vol.142, No.3, pp.453-460, 1990.

[29] ABAQUS 6.14 Documentation, 2017.

]30[سیدساعد رضوانی و حمید فاضلی، "مقایسه حل عددی، تحلیلی و تجربی فرکانس طبیعی صفحه تقویت شده مغروق در سیال"، دوازدهمین همایش ملی صنایع دریایی ایران، زیباکنار، انجمن مهندسی دریایی ایران، ۱۳۸۹.

]31[سید ساعد رضوانی, , مهدی سعید کیاست, "آنالیز ارتعاش آزاد ورق کامپوزیت ساندویچی با هسته فوم ویسکوالاستیک در تماس با محیط آب". فصلنامه علمی-پژوهشی دریا فنون.ص24-30،  1396 .

]32[قدیر احمدی جید, و محمد گندم کار، "تحلیل فرکانس طبیعی یک ورق تقویت شده در هوا و آب و بررسی اثرات جرم افزوده"، دومین همایش بین المللی مهندسی مکانیک، صنایع و هوافضا، همدان، دبیرخانه دائمی همایش، ۱۳۹۷.

]33[آرش شادلاقانی ، شهریار منصورزاده ، محمد علی بدری، "شبیه سازی عددی ضرایب میرایی و جرم افزوده یک شناور زیرسطحی در آب عمیق". روش‌های عددی در مهندسی. نسخه ۳۳، شماره۲، ص.۱۳۱-۱۴۵، ۱۳۹۳

[34] Birkhoff, G. "Hydrodynamics: A study in fact logic and similitude.", 1950.

[35] Brennen, C. E. "A Review of Added Mass and Fluid Inertial Forces". BRENNEN (CE) SIERRA MADRE CA, 1982.

[36] Khoury, Gabriel A., and David Gillett J.,  "Airship Technology (Cambridge Aerospace Series)", pp.39-71, 2004.

[37] Liang, C.C., Liao C.C., Tai Y.S., and Lai, W.H. "The Free Vibration Analysis of Submerged Cantilever Plates." Ocean Engineering, Vol.28, No.9 1225-1245, 2001.