基于CEL方法的压差驱动式管道机器人动力特性分析

针对压差驱动式管道机器人多柔体系统与管内流体的流固耦合问题,基于耦合的欧拉-朗格朗日(CEL)方法建立了机器人系统流固耦合模型,获得了机器人在复杂管道内运行时的结构动力响应。对比分析了不同管道内径和机器人舱段长度下的密封皮碗应力场、管道与机器人间的摩擦力和流体对管道机器人的驱动压差。数值结果表明,管道机器人进入管道初期驱动压差出现峰值,随着机器人运动速度的波动和管道拓扑的改变,驱动压差再次出现峰值。管道机器人位于小曲率半径弯道时,密封皮碗经历强烈的局部化挤压作用形成峰值等效应力,但是,由于密封皮碗与弯道的间隙引起摩擦力降至谷值。此外,随着管道内径的减少,密封皮碗的等效应力、平均摩擦力以及平均驱动压差增大;舱段长度增加,密封皮碗的等效应力、平均摩擦力以及平均驱动压差随之增大。

压差式管道机器人柔性多体系统流固耦合模型构建

流体驱动下压差式管道机器人的运动属于复杂的流固耦合动力学问题,通过数值模拟方法分析机器人的动力响应,评估机器人在管道内的巡线能力具有重要的工程意义。该文基于耦合的欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)方法,构建了机器人柔性多体系统的流固耦合动力学模型,以平均驱动压差、平均摩擦力和密封皮碗的米塞斯应力峰值为指标,评价机器人对管道环境的适应性。数值模拟结果表明,与3舱段管道机器人相比,5舱段管道机器人的平均速度和速度波动幅值分别降低5.3%和18.6%,但是平均驱动压差、摩擦力和峰值米塞斯应力分别增加了56.9%、95.7%和42.0%。由此,随着舱段数增加,密封皮碗的变形进一步增加,流体需提供更大的驱动压差克服摩擦力作用,但机器人系统的速度平稳性有所提高。3舱段和5舱段机器人在管道焊瘤高度20 mm、弯道角度90°、弯道曲率半径300 mm时的平均摩擦力、平均驱动压差以及密封皮碗的米塞斯应力峰值均达到最大值:3舱段机器人分别为0.98MPa、10.61kN和28.30 MPa,5舱段机器人分别为0.63 MPa、5.64 kN和24.16 MPa。因此,与3舱段机器人相比,在弯道与焊瘤约束的联合作用下,5舱段机器人需要消耗更多的流体压力能克服管道的约束阻力;更高的摩擦力将使密封皮碗磨损加速,削弱密封性能,而更高的米塞斯应力峰值也将增加密封皮碗的脆性断裂风险,导致5舱段机器人对于管道环境的适应性弱于3舱段机器人。研究结果可为管道机器人的巡线能力评价和设计优化提供参考。