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

1、仿生水下推進(jìn)器作為未來海洋資源探索和開采的利器越來越得到各國科研工作者的重視。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，仿生胸鰭MPF擺動推進(jìn)模式是魚類經(jīng)過上億年自然進(jìn)化出的游動方式，具有高穩(wěn)定性、高機(jī)動性、高效率等顯著優(yōu)勢，以此設(shè)計(jì)未來水下推進(jìn)器將呈現(xiàn)出一種新常態(tài)。研究胸鰭擺動推進(jìn)的運(yùn)動機(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“無斑鷂鲼”為研究對象，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、柔性胸鰭擺動推進(jìn)模式的水動力特性和空間流場渦系結(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)動的啟發(fā)，依托對鷂鲼胸鰭的形態(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)動剛-柔多體耦合仿生魚胸鰭機(jī)構(gòu)，建立鰭條擺動的運(yùn)動學(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

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)動的矩陣控制法用于控制胸鰭的擺動。為進(jìn)一步分析胸鰭擺動的推進(jìn)性能提供基礎(chǔ)。
　　(3)針對仿生胸鰭的水下擺動，建立鰭面擺動的運(yùn)動學(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)算仿生胸鰭擺動的水動力模型，利用計(jì)算流體分析軟件Fluent結(jié)合動網(wǎng)格中的擴(kuò)散光順模型和局部網(wǎng)格重構(gòu)模型對來流為v1=0.1m/s時(shí)的仿生胸鰭擺動進(jìn)行三維數(shù)值仿真，

4、探究仿生胸鰭柔性鰭面擺動時(shí)周圍壓力、速度場的變化情況，分析了不同來流速度、擺動幅度、頻率和波長下鰭面的水動力學(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)算獲得了胸鰭在來流為v1=0.1m/s，擺幅為45°，頻率為2Hz等參數(shù)下的空間流場分布和渦系演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，空間流場中存在三類渦系，分別為小型環(huán)狀渦(A類)、大型