柔性仿生波動(dòng)鰭推進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)陸地資源的開(kāi)發(fā)需求日益膨脹，勢(shì)必將導(dǎo)致資源的逐步耗竭。約占地球總面積71％的海洋蘊(yùn)藏著巨大的潛力和無(wú)窮的奧妙，因此，設(shè)計(jì)高性能的水下推進(jìn)器去探索海底的未知世界和豐富的資源已成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)和核心問(wèn)題之一。魚(yú)類作為海洋的主要“居民”經(jīng)過(guò)上億年的進(jìn)化和自然選擇，形成了適合海洋環(huán)境的獨(dú)特形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式。其中波動(dòng)鰭推進(jìn)模式具有高效、高機(jī)動(dòng)性和低流體擾動(dòng)并且易于向水下推進(jìn)器移植等顯著優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)水下推進(jìn)器的仿生設(shè)計(jì)提供

2、了新的選擇，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。 本文以藍(lán)點(diǎn)魟魚(yú)類為研究對(duì)象，在詳細(xì)觀察分析其生物形態(tài)和波動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征以及生理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于藍(lán)點(diǎn)缸胸鰭結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特征及推進(jìn)功能開(kāi)展仿生波動(dòng)鰭的研究。論文主要圍繞仿生波動(dòng)鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三方面展開(kāi)，并在如何利用新型智能材料作為驅(qū)動(dòng)源研制仿生魚(yú)鰭方面做了初步嘗試和探討，為仿生水下推進(jìn)器的發(fā)展方向拋磚引玉，主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.仿生魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與

3、分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室早期對(duì)仿生對(duì)象藍(lán)點(diǎn)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(kāi)展了仿生對(duì)象生物形態(tài)、胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(shì)，為仿生魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制提供了客觀依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。根據(jù)仿生對(duì)象研究啟示，基于模塊化設(shè)計(jì)理念，在國(guó)內(nèi)率先研制成功仿生藍(lán)點(diǎn)魟模型。深入分析了仿生藍(lán)點(diǎn)缸魚(yú)鰭鰭條的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，與此同時(shí)建立了魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與

4、動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)力和推進(jìn)速度進(jìn)行了理論推導(dǎo)。針對(duì)仿生藍(lán)點(diǎn)缸推進(jìn)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了藍(lán)點(diǎn)魟胸鰭用于推進(jìn)與姿態(tài)控制的控制方法，通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的巡游、轉(zhuǎn)彎、沉浮等基本運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)合水下紅外傳感器陣列實(shí)現(xiàn)避障功能。 2.仿生魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)的數(shù)值計(jì)算。建立了以仿生藍(lán)點(diǎn)魟為樣本的簡(jiǎn)化二維及三維胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)仿生鰭條擺動(dòng)過(guò)程和魚(yú)鰭波動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，綜合分析了運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、波動(dòng)模式、波動(dòng)鰭鰭面形狀、鰭條剛度和傾角對(duì)游動(dòng)性能的影響。給出了魚(yú)鰭波動(dòng)游動(dòng)時(shí)流場(chǎng)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(dòng)力學(xué)角度揭示了推力產(chǎn)生的流體力學(xué)機(jī)理。數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性在隨后的實(shí)驗(yàn)研究得以驗(yàn)證。 3.仿生魚(yú)鰭波動(dòng)推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)測(cè)試對(duì)象和測(cè)試內(nèi)容的不同，分為鰭條擺動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿生波動(dòng)魚(yú)鰭測(cè)量實(shí)驗(yàn)。鰭

6、條擺動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)、流場(chǎng)顯示系統(tǒng)和測(cè)力系統(tǒng)組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)能模擬鰭條擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，流場(chǎng)顯示系統(tǒng)能獲得擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，測(cè)力系統(tǒng)能正確測(cè)量擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鰭條所受升阻力的變化規(guī)律。仿生魚(yú)鰭波動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則包括游速測(cè)量系統(tǒng)、推進(jìn)力測(cè)量系統(tǒng)和功率測(cè)量系統(tǒng)組成，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，分別使用極差分析和方差分析對(duì)波頻、波幅、波長(zhǎng)等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，波動(dòng)模式，魚(yú)鰭鰭面形狀以及他們之間交互作用對(duì)游動(dòng)速度、推進(jìn)力

7、、效率的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析。同時(shí)還進(jìn)行了鰭條剛度對(duì)游動(dòng)性能影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地驗(yàn)證了理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算結(jié)論的可信性和正確性。 4.仿生魚(yú)鰭裝置的初步改進(jìn)。機(jī)電系統(tǒng)在工作原理、外形和性能等方面都與動(dòng)物肌肉存在很大區(qū)別，尤其是缺乏類似動(dòng)物“肌腱”的高性能儲(chǔ)能元件。因此，本文在利用更接近肌肉驅(qū)動(dòng)特征的智能材料作為驅(qū)動(dòng)源的柔性仿生魚(yú)鰭研究上做了一些探討性工作。通過(guò)分析比較目前常見(jiàn)和相對(duì)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(shí)針對(duì)柔性仿生魚(yú)鰭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及形狀記憶合金材料本身的特性，提出了以一對(duì)差動(dòng)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(cè)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(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了柔性魚(yú)鰭的擺動(dòng)和波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)仿生魚(yú)鰭的設(shè)計(jì)