胸鰭推進(jìn)仿生魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、仿生水下推進(jìn)器作為未來(lái)海洋資源探索和開采的利器越來(lái)越得到各國(guó)科研工作者的重視。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，仿生胸鰭MPF擺動(dòng)推進(jìn)模式是魚類經(jīng)過(guò)上億年自然進(jìn)化出的游動(dòng)方式，具有高穩(wěn)定性、高機(jī)動(dòng)性、高效率等顯著優(yōu)勢(shì)，以此設(shè)計(jì)未來(lái)水下推進(jìn)器將呈現(xiàn)出一種新常態(tài)。研究胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理是設(shè)計(jì)新型水下推進(jìn)器以及提高水下推進(jìn)器性能的基礎(chǔ)，也是水下仿生機(jī)器人研究的必經(jīng)之路。
　　本課題以“無(wú)斑鷂鲼”為研究對(duì)象，根據(jù)“功能仿生”為主、“形態(tài)仿生”為

2、輔的思路，采用理論建模和數(shù)值仿真的方法，設(shè)計(jì)了胸鰭推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，重點(diǎn)圍繞仿生魚胸鰭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、柔性胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式的水動(dòng)力特性和空間流場(chǎng)渦系結(jié)構(gòu)的形成與演變四方面展開研究:
　　(1)受生物鷂鲼水下運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，依托對(duì)鷂鲼胸鰭的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)的研究，設(shè)計(jì)了仿生機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、浮潛機(jī)構(gòu)和一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)剛-柔多體耦合仿生魚胸鰭機(jī)構(gòu)，建立鰭條擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
　　(2)研究電機(jī)的控制特性與形狀記憶合金的溫變特性，對(duì)

3、電機(jī)控制特性和形狀記憶合金的溫變特性在MATLAB中進(jìn)行了仿真，提出了一種電機(jī)—SMA復(fù)合驅(qū)動(dòng)的矩陣控制法用于控制胸鰭的擺動(dòng)。為進(jìn)一步分析胸鰭擺動(dòng)的推進(jìn)性能提供基礎(chǔ)。
　　(3)針對(duì)仿生胸鰭的水下擺動(dòng)，建立鰭面擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于三維非定常湍流控制方程組，提出了數(shù)值計(jì)算仿生胸鰭擺動(dòng)的水動(dòng)力模型，利用計(jì)算流體分析軟件Fluent結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格中的擴(kuò)散光順模型和局部網(wǎng)格重構(gòu)模型對(duì)來(lái)流為v1=0.1m/s時(shí)的仿生胸鰭擺動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值仿真，

4、探究仿生胸鰭柔性鰭面擺動(dòng)時(shí)周圍壓力、速度場(chǎng)的變化情況，分析了不同來(lái)流速度、擺動(dòng)幅度、頻率和波長(zhǎng)下鰭面的水動(dòng)力學(xué)特性。
　　(4)本章在重新劃分多區(qū)域網(wǎng)格的前提下，基流體控制方程組，提出了一種IB-LBM方法用于建立胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的空間大渦(LES)數(shù)值模擬。仿真計(jì)算獲得了胸鰭在來(lái)流為v1=0.1m/s，擺幅為45°，頻率為2Hz等參數(shù)下的空間流場(chǎng)分布和渦系演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，空間流場(chǎng)中存在三類渦系，分別為小型環(huán)狀渦(A類)、大型