柔性仿生波動鰭推進理論與實驗研究.pdf

1、隨著社會的不斷發(fā)展，人類對陸地資源的開發(fā)需求日益膨脹，勢必將導致資源的逐步耗竭。約占地球總面積71％的海洋蘊藏著巨大的潛力和無窮的奧妙，因此，設(shè)計高性能的水下推進器去探索海底的未知世界和豐富的資源已成為各國關(guān)注的熱點和核心問題之一。魚類作為海洋的主要“居民”經(jīng)過上億年的進化和自然選擇，形成了適合海洋環(huán)境的獨特形態(tài)和運動方式。其中波動鰭推進模式具有高效、高機動性和低流體擾動并且易于向水下推進器移植等顯著優(yōu)點，為未來水下推進器的仿生設(shè)計提供

2、了新的選擇，具有重要的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。 本文以藍點魟魚類為研究對象，在詳細觀察分析其生物形態(tài)和波動運動特征以及生理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于藍點缸胸鰭結(jié)構(gòu)、運動特征及推進功能開展仿生波動鰭的研究。論文主要圍繞仿生波動鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值計算和實驗驗證三方面展開，并在如何利用新型智能材料作為驅(qū)動源研制仿生魚鰭方面做了初步嘗試和探討，為仿生水下推進器的發(fā)展方向拋磚引玉，主要研究內(nèi)容如下： 1.仿生魚鰭波動推進系統(tǒng)的設(shè)計與

3、分析。結(jié)合實驗室早期對仿生對象藍點角工的定性觀察和引用了L.J．Rosenberger等人大量的相關(guān)研究結(jié)論，深入開展了仿生對象生物形態(tài)、胸鰭波動運動特征以及生理結(jié)構(gòu)等方面的研究，給出了這些參數(shù)隨著游速變化的定量趨勢，為仿生魚鰭波動推進機構(gòu)的設(shè)計和控制提供了客觀依據(jù)和科學指導。根據(jù)仿生對象研究啟示，基于模塊化設(shè)計理念，在國內(nèi)率先研制成功仿生藍點魟模型。深入分析了仿生藍點缸魚鰭鰭條的運動學和動力學特性，與此同時建立了魚鰭波動推進的運動學與

4、動力學模型，并對魚鰭波動推進力和推進速度進行了理論推導。針對仿生藍點缸推進系統(tǒng)與控制系統(tǒng)一體化設(shè)計的技術(shù)特點，提出了藍點魟胸鰭用于推進與姿態(tài)控制的控制方法，通過主動調(diào)節(jié)多個設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)推進器的巡游、轉(zhuǎn)彎、沉浮等基本運動方式，結(jié)合水下紅外傳感器陣列實現(xiàn)避障功能。 2.仿生魚鰭波動推進的數(shù)值計算。建立了以仿生藍點魟為樣本的簡化二維及三維胸鰭波動運動模型，以不可壓縮非穩(wěn)定的N-S方程為主控方程，基于有限體積法與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE

5、算法的控制方程離散，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，對仿生鰭條擺動過程和魚鰭波動過程進行數(shù)值計算，綜合分析了運動學參數(shù)、波動模式、波動鰭鰭面形狀、鰭條剛度和傾角對游動性能的影響。給出了魚鰭波動游動時流場信息以及總體受力情況，顯示出了反卡門渦街的形成，并從渦動力學角度揭示了推力產(chǎn)生的流體力學機理。數(shù)值計算結(jié)果的正確性在隨后的實驗研究得以驗證。 3.仿生魚鰭波動推進的實驗研究。根據(jù)測試對象和測試內(nèi)容的不同，分為鰭條擺動過程實驗測試和仿生波動魚鰭測量實驗。鰭

6、條擺動過程實驗測試系統(tǒng)由運動機構(gòu)及其控制系統(tǒng)、流場顯示系統(tǒng)和測力系統(tǒng)組成。運動機構(gòu)及其控制系統(tǒng)能模擬鰭條擺動的運動過程，流場顯示系統(tǒng)能獲得擺動運動流場渦結(jié)構(gòu)的演化過程，測力系統(tǒng)能正確測量擺動運動過程中鰭條所受升阻力的變化規(guī)律。仿生魚鰭波動實驗系統(tǒng)則包括游速測量系統(tǒng)、推進力測量系統(tǒng)和功率測量系統(tǒng)組成，采用正交試驗設(shè)計方案，分別使用極差分析和方差分析對波頻、波幅、波長等運動學參數(shù)，波動模式，魚鰭鰭面形狀以及他們之間交互作用對游動速度、推進力

7、、效率的影響進行詳細的分析。同時還進行了鰭條剛度對游動性能影響的對比實驗。實驗結(jié)果較好地驗證了理論推導和數(shù)值計算結(jié)論的可信性和正確性。 4.仿生魚鰭裝置的初步改進。機電系統(tǒng)在工作原理、外形和性能等方面都與動物肌肉存在很大區(qū)別，尤其是缺乏類似動物“肌腱”的高性能儲能元件。因此，本文在利用更接近肌肉驅(qū)動特征的智能材料作為驅(qū)動源的柔性仿生魚鰭研究上做了一些探討性工作。通過分析比較目前常見和相對比較成熟的幾種智能材料的性能，最終選定N<

8、,i>T<,i>形狀記憶合金材料。同時針對柔性仿生魚鰭的結(jié)構(gòu)特點以及形狀記憶合金材料本身的特性，提出了以一對差動方式安裝的具有單向形狀記憶效應(yīng)的薄板狀形狀記憶合金作為鰭條基本單元，以應(yīng)變傳感器檢測和反饋形狀記憶合金薄板彎曲形變量，以模糊控制作為基本運動控制算法，實現(xiàn)了柔性魚鰭的擺動和波動運動。通過實驗給出了形狀記憶合金鰭條彎曲輸出力與薄板厚度的關(guān)系，鰭條最大偏轉(zhuǎn)角度與厚度的關(guān)系以及加熱電流占空比與鰭條最大偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，對仿生魚鰭的設(shè)計