本文關(guān)鍵詞：機器海豚出水運動模擬及其換能機制研究

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【摘要】：由于海豚具有游動速度快、效率高且能躍出水面等超凡的運動能力,因而成為學(xué)者們重點關(guān)注的仿生對象。然而,目前海豚的出水運動機理尚未揭示清楚,因而制約著可實現(xiàn)較高出水能力的機器海豚的研制,同時現(xiàn)有仿生機器魚仍基本局限于水下游動,尚不具備較好出水運動的能力。因此,本文將開展機器海豚出水運動機理的動力學(xué)模擬及其換能機制研究,為進一步開發(fā)機器海豚提供理論依據(jù),以期拓展機器魚的運動空間。首先,通過分析機器海豚出水過程的運動學(xué)模型和受力情況,建立了機器海豚出水運動的動力學(xué)模型,同時考慮海豚與流體之間的相互作用,提出了機器海豚出水運動的數(shù)值求解方法。其次,對金槍魚和海豚從形態(tài)學(xué)、運動學(xué)方面進行了全面的對比分析,并通過對金槍魚和海豚水下游動的三維數(shù)值模擬,對比分析了金槍魚和海豚在不同條件下的水下游動性能,得知海豚擁有更高的游動效率。再次,利用提出的機器海豚出水運動的數(shù)值求解方法,結(jié)合海豚出水的運動學(xué)和動力學(xué)模型,對機器海豚出水運動全過程進行了三維數(shù)值模擬,獲得了機器海豚出水運動全過程中的位移、速度、作用力以及外力矩的時間歷程變化規(guī)律以及不同時刻的相圖和壓力云圖,并探討了機器海豚出水運動性能與出水運動角度和擺動頻率的關(guān)系,得知海豚出水運動高度隨著出水運動角度的增大而增大,隨著擺動頻率的增大而增大。最后,通過建立海豚出水運動過程中的能量變化函數(shù),分析了機器海豚出水運動全過程中機器海豚的動能、重力勢能以及獲得和消耗的總能量隨時間變化的情況,建立出水運動效率評價函數(shù),并通過分析比較得知,機器海豚出水運動效率隨著出水運動角度的增大而增大,隨著擺動頻率的增大而增大。本文完成的機器海豚出水運動過程的動力學(xué)模擬和換能機制研究,拓寬了現(xiàn)有仿生推進機理的研究領(lǐng)域,為現(xiàn)有機器魚進一步實現(xiàn)出水運動提供了理論可能。通過對本文研究工作的進一步拓展和深入,將對今后開發(fā)可實現(xiàn)出水運動的其他水下運載器和近水面武器系統(tǒng)提供堅實的理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】：機器海豚 游動性能 出水運動 換能機制
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242;TB17
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 課題研究的背景與意義9
• 1.2 魚類推進模式的分類和特點9-10
• 1.3 數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.3.1 仿生推進數(shù)值模擬方面10-11
• 1.3.2 出水運動數(shù)值模擬方面11
• 1.4 仿生機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.4.1 仿生機器魚的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.4.2 仿生機器海豚的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容15-17
• 第二章 機器海豚出水運動的數(shù)值求解方法17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 機器海豚出水運動的動力學(xué)建模17-19
• 2.2.1 坐標(biāo)系的定義17-18
• 2.2.2 機器海豚的動力學(xué)方程18-19
• 2.3 計算流體力學(xué)數(shù)值方法19-22
• 2.3.1 控制方程及其離散方法19-20
• 2.3.2 動網(wǎng)格技術(shù)20-21
• 2.3.3 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量控制21-22
• 2.3.4 初始條件和邊界條件22
• 2.4 機器海豚出水運動的數(shù)值求解方法與過程22-24
• 2.5 出水運動數(shù)值求解方法的驗證24-27
• 2.6 本章小結(jié)27-28
• 第三章 機器海豚等鮪科魚類水下游動性能的對比28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 金槍魚與海豚形態(tài)學(xué)的對比28-29
• 3.3 金槍魚與海豚運動學(xué)的對比29-31
• 3.4 相同形態(tài)學(xué)、不同運動學(xué)下的水下游動性能對比31-34
• 3.4.1 金槍魚在不同運動學(xué)條件下的水下游動性能對比31-33
• 3.4.2 海豚在不同運動學(xué)條件下的水下游動性能對比33-34
• 3.5 相同運動學(xué)、不同形態(tài)學(xué)下的水下游動性能對比34-37
• 3.5.1 金槍魚和海豚在金槍魚運動學(xué)條件下的水下游動性能對比34-35
• 3.5.2 金槍魚和海豚在海豚運動學(xué)條件下的水下游動性能對比35-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 第四章 機器海豚出水運動的數(shù)值模擬研究38-49
• 4.1 引言38
• 4.2 機器海豚出水運動的運動學(xué)建模38-39
• 4.3 機器海豚出水運動的時間歷程分析39-46
• 4.3.1 機器海豚出水運動的位移分析39-40
• 4.3.2 機器海豚出水運動的作用力和速度分析40-42
• 4.3.3 機器海豚出水運動的外力矩分析42-43
• 4.3.4 機器海豚出水運動全過程的相圖和壓力云圖分析43-46
• 4.4 機器海豚出水運動的規(guī)律46-48
• 4.4.1 機器海豚出水運動角度對出水運動速度的影響46-47
• 4.4.2 機器海豚擺動頻率對出水運動速度的影響47
• 4.4.3 機器海豚出水運動角度和擺動頻率對出水運動最大高度的影響47-48
• 4.5 本章小結(jié)48-49
• 第五章 機器海豚出水運動的換能機制研究49-57
• 5.1 引言49
• 5.2 機器海豚出水運動過程中的能量變化函數(shù)49-51
• 5.2.1 機器海豚的動能函數(shù)49
• 5.2.2 機器海豚的重力勢能函數(shù)49-51
• 5.2.3 機器海豚獲得的總能量函數(shù)51
• 5.2.4 機器海豚消耗的總能量函數(shù)51
• 5.3 機器海豚出水運動過程中能量的時間歷程51-54
• 5.3.1 海豚動能變化的時間歷程51-52
• 5.3.2 機器海豚重力勢能變化的時間歷程52-53
• 5.3.3 機器海豚獲得的總能量變化的時間歷程53-54
• 5.3.4 機器海豚消耗的總能量變化的時間歷程54
• 5.4 機器海豚出水運動過程中的能量和效率規(guī)律54-56
• 5.4.1 機器海豚出水運動的效率評價函數(shù)54
• 5.4.2 機器海豚出水運動過程中消耗的最大總能量規(guī)律54-55
• 5.4.3 機器海豚出水運動過程中獲得的最大總能量規(guī)律55-56
• 5.4.4 機器海豚出水運動過程中的出水運動效率規(guī)律56
• 5.5 本章小結(jié)56-57
• 第六章 總結(jié)與展望57-59
• 6.1 全文總結(jié)57-58
• 6.2 研究展望58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-63
• 作者簡介63
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文63

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本文編號：1131609