鮪科仿生原型自主游動(dòng)機(jī)理的研究.pdf

1、仿生機(jī)器學(xué)作為機(jī)械學(xué)科的新生長點(diǎn)，在我國的國家安全、海洋開發(fā)、水下探測等領(lǐng)域有著重大需求。近十余年來，模仿不同仿生原型的仿魚機(jī)器人樣機(jī)相繼在國內(nèi)外面世，這些樣機(jī)的研制成功將給未來的水下推進(jìn)技術(shù)帶來巨大的變革。仿生機(jī)器學(xué)的迅速崛起亟需仿生力學(xué)的理論加以支撐，目前仿生推進(jìn)機(jī)理的研究與原理樣機(jī)的研制已經(jīng)到了同步進(jìn)行的時(shí)刻，在機(jī)理方面任何一點(diǎn)新的突破，都將給原理樣機(jī)的研制帶來新的啟示。為了探索仿生推進(jìn)機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者動(dòng)用了許多理論分析方法和實(shí)驗(yàn)

2、測試手段，力圖揭示出問題的本質(zhì)所在，但遺憾的是，無論是基于原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還是基于現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值模擬結(jié)果，都遠(yuǎn)沒有獲得在推進(jìn)性能上可以與生物原型相比擬的預(yù)期效果。因此，本文從揭示仿生推進(jìn)機(jī)理的源頭出發(fā)，對仿魚機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、仿生原型自主游動(dòng)的數(shù)值方法以及仿生原型快速、高效自主游動(dòng)機(jī)理等問題進(jìn)行研究。
　　仿魚機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是開發(fā)新型原理樣機(jī)的基礎(chǔ)，針對目前未能很好解決的動(dòng)力學(xué)建模問題，提出了一種仿魚機(jī)器人波狀游動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。首

3、先，以鮪科仿生原型為研究對象，對其形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行描述，并以此為基礎(chǔ)，將仿魚機(jī)器人離散成多個(gè)環(huán)節(jié)，采用Kane方法建立了波狀游動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，并借助計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證了模型的正確性。其次，以動(dòng)力學(xué)模型為依據(jù)研制了兩關(guān)節(jié)原理樣機(jī)，對其推進(jìn)性能進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，據(jù)此總結(jié)了樣機(jī)推進(jìn)性能不甚理想的主要原因是仿生推進(jìn)機(jī)理還未完全揭示清楚。
　　以揭示仿生推進(jìn)機(jī)理為目的，對仿生原型的自主游動(dòng)進(jìn)行研究，提出了一種求解仿生原型

4、自主游動(dòng)問題的數(shù)值方法。首先，將自主游動(dòng)問題劃分為流體域、魚體域和動(dòng)網(wǎng)格域，分別建立各個(gè)子域的控制方程。其次，給定魚體運(yùn)動(dòng)學(xué)為輸入，將魚體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到流體單元上，形成對周圍流體的激勵(lì)，通過求解流體域方程得到流體作用力，并將該作用力傳遞于魚體，作為外力來驅(qū)動(dòng)魚體的剛性運(yùn)動(dòng)，通過求解魚體域方程得到游動(dòng)性能，從而實(shí)現(xiàn)魚體和流體的交互過程。最后，采用兩個(gè)經(jīng)典算例驗(yàn)證了數(shù)值方法的正確性，并將其應(yīng)用到常規(guī)自主游動(dòng)、尾鰭展向柔性自主游動(dòng)和加速-滑行自主

5、游動(dòng)機(jī)理的研究中。
　　采用提出的數(shù)值方法，對仿生原型的常規(guī)自主游動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，求解魚體自靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)，經(jīng)逐漸加速并最終收斂到穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程，揭示運(yùn)動(dòng)學(xué)和力能學(xué)參數(shù)的時(shí)間歷程變化規(guī)律。分別探討了身體運(yùn)動(dòng)行為的擺動(dòng)頻率和尾部最大擺幅，以及尾鰭運(yùn)動(dòng)行為的最大擊水角度和平動(dòng)擺動(dòng)相位差對自主游動(dòng)性能的影響規(guī)律。通過提取三維流場結(jié)構(gòu)，從物理上揭示了仿生原型自主游動(dòng)的力學(xué)機(jī)理，據(jù)此判斷不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿生原型自主游動(dòng)性能的優(yōu)劣。

6、　　為了提高仿生原型自主游動(dòng)的性能，研究了尾鰭展向柔性自主游動(dòng)的機(jī)理。采用提出的數(shù)值方法，求解具有展向柔性尾鰭仿生原型的自主游動(dòng)性能，并與常規(guī)的剛性尾鰭對比。對比結(jié)果表明，采用展向柔性尾鰭較剛性尾鰭有著更為優(yōu)越的性能，具體地，采用“弓形”尾鰭，在降低少許穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度和推進(jìn)力的前提下，可以顯著減小側(cè)向力和功率消耗，增加游動(dòng)穩(wěn)定性；采用“瓢形”尾鰭，可以大大提高穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度和推進(jìn)力，進(jìn)而提高推進(jìn)效率，同時(shí)側(cè)向力和功率消耗有小幅增加。因此，適

7、當(dāng)調(diào)整尾鰭的鰭面形狀，一方面可以產(chǎn)生更大的推進(jìn)力和更高的推進(jìn)效率；另一方面，可以減小側(cè)向力和功率消耗。
　　加速-滑行游動(dòng)模式具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，對其自主游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究具有重要意義。采用提出的數(shù)值方法，通過改變擺尾次數(shù)和占空比求解了仿生原型加速-滑行自主游動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力能學(xué)性能，在加速-滑行自主游動(dòng)中，選擇少的擺尾次數(shù)和小的占空比有益于降低功率消耗，提高速度功率比，進(jìn)而在獲得相同穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度時(shí)消耗最少的功率。在此基礎(chǔ)上，將加速-