胸鳍推进仿生鱼的结构设计及水动力学研究

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作者：

杨垒

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摘要：

仿生水下推进器作为未来海洋资源探索和开采的利器越来越得到各国科研工作者的重视。与传统的螺旋桨推进相比,仿生胸鳍MPF摆动推进模式是鱼类经过上亿年自然进化出的游动方式,具有高稳定性、高机动性、高效率等显著优势,以此设计未来水下推进器将呈现出一种新常态。研究胸鳍摆动推进的运动机理是设计新型水下推进器以及提高水下推进器性能的基础,也是水下仿生机器人研究的必经之路。本课题以"无斑鹞鲼"为研究对象,根据"功能仿生"为主、"形态仿生"为辅的思路,采用理论建模和数值仿真的方法,设计了胸鳍推进仿生水下机器人,重点围绕仿生鱼胸鳍机构的设计与机构驱动、柔性胸鳍摆动推进模式的水动力特性和空间流场涡系结构的形成与演变四方面展开研究:(1)受生物鹞鲼水下运动的启发,依托对鹞鲼胸鳍的形态学、解剖学的研究,设计了仿生机器人的本体结构、浮潜机构和一种复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构,建立鳍条摆动的运动学模型。(2)研究电机的控制特性与形状记忆合金的温变特性,对电机控制特性和形状记忆合金的温变特性在MATLAB中进行了仿真,提出了一种电机—SMA复合驱动的矩阵控制法用于控制胸鳍的摆动。为进一步分析胸鳍摆动的推进性能提供基础。(3)针对仿生胸鳍的水下摆动,建立鳍面摆动的运动学模型,基于三维非定常湍流控制方程组,提出了数值计算仿生胸鳍摆动的水动力模型,利用计算流体分析软件Fluent结合动网格中的扩散光顺模型和局部网格重构模型对来流为v_1=0.1m/s时的仿生胸鳍摆动进行三维数值仿真,探究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力、速度场的变化情况,分析了不同来流速度、摆动幅度、频率和波长下鳍面的水动力学特性。(4)本章在重新划分多区域网格的前提下,基流体控制方程组,提出了一种IB-LBM方法用于建立胸鳍摆动推进的空间大涡(LES)数值模拟。仿真计算获得了胸鳍在来流为v_1=0.1m/s,摆幅为45°,频率为2Hz等参数下的空间流场分布和涡系演化规律。研究结果表明,空间流场中存在三类涡系,分别为小型环状涡(A类)、大型环状涡(B类)和流向涡(C类),其中大型环状涡(B类)是产生水动力的主要来源,小型环状涡(A类)和流向涡(C类)对水动力影响较小。本文对摆动胸鳍推进机器人的结构设计和游动机理的探究可以为新型航潜器的开发与应用奠定理论基础。

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关键词：

刚-柔多体耦合机构；复合驱动；推进机理；数值计算；涡环结构

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1018.150022