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[教程] 格斗机器人的装甲结构设计【持续更新】

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      大家好,我是HITTER,典型的学院派风格,应王大师的热情邀请来分享一些110kg格斗机器人的设计和参赛心得吧。早在半年前,我也是个格斗机器人小白,上来就直接做了110kg的机器人——深海巨鲨,一到现场看到以前搞过的同志们的设计,心里满满的都是泪。不得不说这  个行业确实吃经验,我们就吃了这个没经验的亏。前几天在王大师的推文被评为48支队伍中最“复杂”的战机,看到后百感交集,以后这个X装不得,简单粗暴最为实用。这次我就分享以下防御结构的心得吧(毕竟作为摔不死的小强还是有体会的)。
      首先说一下我们战机的防御特点:我们设计的是板壳式车体结构配合复合装甲板的防御体系。在装甲设计上借鉴了类似于我国682复合装甲结构的钢/聚氨酯玻璃钢/钢的装甲模式,并取得了良好的效果。火力,机动,防护这三点上我们的车辆更侧重于机动和防护。除了借鉴坦克设计理念,我们还借鉴了主力舰设计中的水密舱以实现防火和需要重点保护的隔断的设计,另外战列舰设计中的主装甲带理论也在这辆车上有显著的体现,并且可以根据作战任务不同,采用不同的防御方案对车辆进行防御。大大增强战机对抗的点对点防御。可是这种防御结构对于抓举、弹射类型的机器作用不大,面对这类战机所有护甲尽量减少,全靠跑位风骚了。
      本车的防御系统主要指的是护甲及内部的防冲击零部件系统的设计。
防御系统的设计思路
      防御设计思路主要来源于坦克等装甲车辆的重点防御思路,采用了可以拆卸的快换防护板进行防御,在机器人四周针对不同攻击类型的敌方机器人设计了不同的重点防护。主要分为以下几种防御装甲板。

车体侧板及前部武器侧面
  • 车体上板
  • 车顶桁架
  • 车体侧裙板
护甲的类型与材料
      对应的以上四个位置的防护情况,各个部分的板材都应该按照其载荷特点选取,载荷特点一般有以下两种:静载一般以液压形式出现,动载多以高速打击的形式出现。
在这两种载荷情况下,对应的防护结构主要有:
1、动载防护
      设计时以大量的反射应力波以及吸收应力波向板后传递能量为主,反射材料需要提高自身的材料刚度,吸收可以采用易于形变的材料或冲击时会是分子结构发生变化的材料为主,另外也可以通过提高系统刚性脆性,将点冲击转化为面冲击进行整车吸收。
2、静载防护
      同一时期,美国等西方国家也开始研制复合装甲。英国研制成功乔巴姆装甲。乔巴姆的出现,使得“甲-弹斗争”的天平第一次向装甲一方倾斜。乔巴姆装甲是一种多层结构的复合装甲,中间是陶瓷装甲,两边是优质合金钢装甲。破甲弹对付乔巴姆已经显得十分吃力,这也使得主战坦克的主流弹种转变为尾翼稳定脱壳穿甲弹。
      陶瓷材料在高速冲击下会产生裂纹,裂纹传播速度约为几百米每秒,而破甲弹金属射流传播速度高达7000米每秒。因此其强度不会受到影响。但是动能弹弹丸在命中时速度要比破甲弹低很多,这使得陶瓷材料防动能弹效果不佳。美国在M1A1主战坦克复合装甲基础引入贫铀装甲,网状的铀合金在复合装甲中起到了骨架的作用。20世纪70年代,中国也开始研制复合装甲。从20世纪80年代开始,中国为其主战坦克配备了两种早期的复合装甲,用于加强主战坦克车体前上装甲的抗弹能力。
      多采用大刚度小摩擦材料,使静压类型武器没有合适的着力位置,更不容易击穿静载的装甲。另外所有的静压类武器为了保证尖端的强度,防止横向受力断裂。整体的尖端会制作成类似齿形前尖后粗的形状,这也限制了静压类型攻击武器穿入装甲的最大深度。因此在结构上需要将静载防护装甲与机身之间架起合理的高度,留出其最大的刺穿余量,防止静载穿刺破坏机身核心部位的重要结构。在此次比赛中我们找到了国内两吨静压力的机器人进行了测试。最终的测试结果表明我们设计的脆性陶瓷板复合结构是可以有效的防止静载武器刺穿的。
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静载防护板
实战中的情况:
      在受到郑州轻工业学院的转动武器打击后的损伤主要集中于表层的形变与脱落,表层的金属材料启动了一定的反射保护第二层的效果。此外在中间层夹着的HDPE板材
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         在受到冲击后发生了分子结构变化,最里层的7075AL制结构板无任何损伤。表明其起到了一定的抵抗冲击的效果。
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受到冲击后的铝板
      在前板受到冲击HDPE,转鼓连接架部分连接受到冲击出现了压溃现象。这表明HDPE硬度很低,需要布置刚性大的衬垫以保证更好的效果。
      另外,前防护板受到冲击的力的方向是由内向外侧打,与原定的设计防冲击方向不一致,才会导致出现了受打击后弯折的情况。因此除了从材料上加强受损部分的结构强度之外,也应该将易于受到打击的位置结构进行改变。

变形的铝板
      在受到冲击后车身中的部分角铝连接件发生了崩断的情况,推断是由于动应力在连结件多次反射导致的,而铝制的连接件本身脆性又较高,因此在受到动应力多次冲击的情况下极易发生崩断。在赛后维修中,我们将连接件换用为大小近似的Q235钢连接件,较软的钢材在连结中的效果比较好,并且没有再次发生崩断的情况,因此从此应该将内部连接件换用韧性更好的连结件,抗冲击性能会有所提升。
     

关于各种材料的选择,我们制作机器人最重要的是结构强度和材料强度。结构强度——设计的结构是否能把力分担,这里主推的是桁架结构和板壳式结构。桁架结构就像墓碑那样,通过杆件把力传递共同承担。
(王大师就选择的桁架结构,个人认为桁架结构最麻烦的就是焊接,王大师竟然天天焊钛合金……)桁架结构是梁式构件,它是由多根小截面杆件组成,是静定结构。由于其截面可以作得很高,就具备了大的抗弯能力,而挠度小,省料,自重小。其中各杆件受力均以单向拉、压为主,通过对杆的合理布置,可适应结构内部的弯矩和剪力分布。结构布置灵活,应用非常广。桁架梁在抗弯方面,由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端,增大了内力臂,使得以同样的材料用量,实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面,通过合理布置杆,能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪,桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。
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Tombstone的桁架结构
深海巨鲨采用了格构式与实腹式混合的设计,采用了多块成立板件,作为主承力龙骨板,类似与船设计中的中心承载结构架。对于各个龙骨板件都采用了较高的加工规格,并且应用了大量的钛合金板件,对整体的强度加强效果十分明显,再附加外板进行加强防护。从受力的角度上讲,这种设计实现了车体的跨距减小。通过增加两中心距使得车体强度提高了6倍,外板的增加使得轴受力效果提升了2倍。但是从整车装配的角度上结构过于负载,且外板需要同时实现3个位置的精密配合与4个位置的一般配合,对加工精度与装配精度的要求都较高,实现难度较大。实际装配效果较差。应当保留中部格构结构,对两侧的结构进行修正,降低装配难度。另外镂空的各个板材计算可以等效为桁架结构计算。

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Bite Force的板壳式结构

材料强度:选材料需要看材料的各种力学属性,然后根据不同功用选择不同属性的材料。
1、(车体结构)强度:强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。屈服强度是指金属材料在外力作用下,产生屈服现象时的应力,或开始出现塑性变形时的最低应力值。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下,被拉断前所能承受的最大应力值大多数机械零件,工作时不允许产生塑性变形,所以屈服强度是零件强度设计的依据;对于因断裂而失效的零件,而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
2、(一般塑性好的作为连接件,实测可行)塑性:塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件,也是保证机械零件工作安全,不发生突然脆断的必要条件。
3、(武器)硬度:硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高,其耐磨性越好。材料的强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高。
4、(防御系统)冲击韧性:金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。ak值越大,则材料的韧性就越好,很多零件,如齿轮、连杆等,工作时受到很大的冲击载荷,因此要用ak值高的材料制造。
深海巨鲨在设计的时候采用了战列舰主装甲带的设计理念,将重点保护的机械部分做了隔断的设计。这种设计可以有效的把冲击传递到内部的主受力板(两块贯穿车身的10mm厚的钛合金板)上,同时各个隔断板也将力都分散承受,这样一来重要的部分受到的影响会很小,保证了整体的可靠性。
另外我们采用了复合装甲的结构,复合装甲针对不同的对手可以改变整体的宏观力学性能强度,塑性,硬度,冲击韧性。而且面对不用对手可以有效的做出针对性防御。比如面对大锤、液压等可以增加顶部装甲层厚,减少侧板占重。面对侧面攻击可以削弱顶部防御(我们两场比赛顶部用的是5mm的PE板)。
性能优异的装甲板可选材料有,5系铝,6系铝,7系铝,锰钢板,橡胶板,PE板和PC板等等,很多高分子材料也是不错的选择。

swanglei  超级版主

发表于 2018-1-21 10:41:18

期待你后面的长文,哈哈哈
我有个问题,你的机架为什么不像bite force一样,铝板的连接处用氩弧焊焊起来呢?这样强度不是更高么。
另外,我个人觉得,其实你的结构件镂空的小三角太小了,可以稍微放大一些,美观很多,而且我觉得受力不见得比你这个差多少。
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HITTER  见习技师
 楼主|

发表于 2018-2-1 21:14:47

swanglei 发表于 2018-1-21 10:41
期待你后面的长文,哈哈哈
我有个问题,你的机架为什么不像bite force一样,铝板的连接处用氩弧焊焊起来呢 ...

7075铝的焊接性能不好,小的话分担受力且结构性能和减重更好些
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swanglei  超级版主

发表于 2018-2-2 10:51:28

HITTER 发表于 2018-2-1 21:14
7075铝的焊接性能不好,小的话分担受力且结构性能和减重更好些

嗯,理解啦~~~有道理。。。。
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TimKim  见习技师

发表于 2018-11-8 18:32:23

问一下那种材料焊接比较好呀
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gada888  版主

发表于 4 天前

牛呀
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gada888  版主

发表于 4 天前

牛呀
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