压差式管道机器人是一种对油气管道进行在线扫描检测的设备,随着中俄东线天然气管道、中哈原油管道等工程建成投产,长输油气管道的安全性已成为影响我国经济发展和民生改善的重要因素,开展管道机器人的研究具有重要意义。压差式管道机器人依靠首尾两端流体压差实现自驱动,解决了能源供应问题,尤其适合长输油气管道的检测作业。目前,国内采用数值模拟的方法研究压差式管道机器人不够深入,模型忽略了机器人作为多柔体系统与管道内流体的耦合作用,难以精确预测管道机器人在复杂管道内的动力特性。本文根据实际工程背景,结合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对机器人运行过程中的动力特性进行了研究。首先,介绍了压差式管道机器人的结构原理,选择聚氨酯弹性体作为皮碗的设计材料,分析了Mooney-Rivlin、Neo-Hookean和Reduced-Polynomial超弹本构模型应变能函数与单轴拉伸情况下名义应力和拉伸比之间的关系,通过单轴拉伸实验确定采用Mooney-Rivlin模型描述聚氨酯的材料特性。通过数值模拟和材料拉伸实验,研究了I型裂纹环境下聚氨酯材料的断裂特性,验证了仿真结果的正确性。接着,介绍了管道机器人相关设计参数并对具体参数进行了定义,建立了单舱段管道机器人动力学解析模型。为了验证解析模型的正确性,建立了管道机器人在管道内运动的有限元模型,并比较了不同工况下管道机器人的应力应变情况。待分析完成之后,通过MATLAB软件输出结果与有限元结果进行对比,发现在一定夹紧率下两种计算方法曲线保持一致,验证了机器人动力学模型的正确性和有限元模型参数设置的合理性。管道内焊点和L型管道是阻碍机器人顺利通过的主要原因,围绕这一问题对机器人通过焊点时速度和受力变化进行了分析,探究了在不同焊点高度工作环境下,单舱段和双舱段机器人的应力情况。万向节也是影响机器人通过性的重要因素,通过Abaqus软件数值模拟,分析了万向节在8个典型时刻的运动状态和受力情况。最后,基于CEL方法,建立了双舱段管道机器人的流固耦合模型,阐述了流固耦合边界追踪的原理,介绍了水流的状态方程,并且确定了水流的材料参数,对焊点高度为20mm的直管和焊点高度为15mm、20mm和25mm的L型管道进行对比与分析,探究了管道机器人在运动过程中皮碗应力、机器人速度、驱动压力和系统摩擦力的变化规律。