本文關鍵詞：仿生撲翼水下航行器推進特性及運動性能研究

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【摘要】：無人水下航行器在海洋開發(fā)和科學考察中發(fā)揮著重要作用。海龜、企鵝等大型海洋生物獨特的形體結(jié)構(gòu)及運動方式,使其在低速運動狀態(tài)下具有靈活性好、噪聲低、能量利用率高等優(yōu)點,深入研究此類海洋生物的肢體運動模式,探索水下?lián)湟硗七M機理,并將其應用到水下航行器中,對于豐富水下推進技術(shù),提高低速下航行器的運動性能具有重要的意義。 目前,水下?lián)湟硗七M技術(shù)研究剛剛起步,推進機理尚不明晰,尤其是撲翼推進技術(shù)在水下航行器上的應用仍處于探索階段,采用撲翼推進方式的水下航行器其運動性能及操縱機理需要進行深入的研究。本文采用數(shù)值模擬、理論計算以及實驗研究相結(jié)合的方法,圍繞撲翼推進力學機理、推進性能與撲翼結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動規(guī)律的關系、撲翼航行器流體動力特性、撲翼航行器操縱機理及運動性能等方面展開研究工作,主要研究內(nèi)容及成果表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.水下仿生撲翼推進水動力性能數(shù)值模擬研究 (1)根據(jù)海龜前肢運動特性,建立了撲翼平面三自由度運動數(shù)學模型； (2)將滑移網(wǎng)格技術(shù)和動網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合,采用CFD方法對單自由度、二自由度、三自由度撲翼運動的二維非定常流場進行了數(shù)值模擬,闡釋了撲翼推力產(chǎn)生機理； (3)針對單自由度撲翼運動方式研究了翼型厚度、翼型彎度、旋轉(zhuǎn)軸位置、時間非對稱運動方式對撲翼水動力性能的影響,給出了推進效果最優(yōu)的翼型厚度及旋轉(zhuǎn)軸位置,并分析了撲翼升力特性和推力特性隨影響因素的變化規(guī)律； (4)針對三自由度撲翼運動方式研究了撲翼推力及推進效率與運動參數(shù)的關系,并對單自由度、二自由度和三自由度三種撲翼運動方式的推進效率進行了對比分析。 2.撲翼水下航行器外形設計及流體動力特性研究 (1)在分析海龜外部形態(tài)及肢體功能的基礎上,設計了單自由度撲翼航行器的外形及布局； (2)基于滑移網(wǎng)格技術(shù)對單自由度撲翼推進器的水動力性能進行仿真計算,給出了最佳推進效率所對應的展弦比；通過全因子實驗模擬,擬合了靜水中撲翼推力與運動參數(shù)之間的函數(shù)關系,并對其進行了響應面分析；在此基礎上,計算分析了撲翼推進性能與進速比及平衡偏角的關系； (3)將撲翼推進器和航行體作為一個整體考慮,研究了二者之間的非定常流體動力干擾,重點分析了來流速度以及撲翼推進器與航行體軸向間距對二者流體動力干擾的影響； (4)針對撲翼航行器扁平型主體在大攻角和大側(cè)滑角下的流體動力特性進行了數(shù)值計算分析,給出了阻力、升力及力矩系數(shù)隨攻角和側(cè)滑角變化的水動力學表達式,并通過模擬懸臂水池實驗計算了其旋轉(zhuǎn)導數(shù)。 3.撲翼水下航行器動力學建模及運動性能仿真研究 (1)對撲翼水下航行器運動過程的受力情況進行分析,并通過理論推導建立撲翼推進器推力數(shù)學模型,在此基礎上,基于Newton-Euler法建立了撲翼航行器空間六自由度運動數(shù)學模型； (2)基于Matlab-Simulink平臺建立撲翼航行器的運動仿真系統(tǒng),對撲翼航行器在縱平面和水平面內(nèi)的運動性能進行了仿真研究,分析了撲翼航行器運動參數(shù)的變化特性,重點研究了推進器數(shù)量及推進器運動參數(shù)對航行器運動性能的影響。 4.撲翼推進水動力性能實驗研究 (1)根據(jù)撲翼運動過程水動力交變和非定常的特點,搭建了測量撲翼水動力性能的實驗平臺； (2)針對NACA0012翼型做單自由度撲翼運動的水動力性能進行實驗研究,明確了撲翼推力及推進效率與運動參數(shù)(頻率和幅值)的關系； (3)針對7組翼板的水動力性能實驗結(jié)果探討了截面形狀、弦長、展長的變化對撲翼水動力性能的影響; (4)選取特定工況將實驗結(jié)果和CFD仿真結(jié)果進行對比,驗證撲翼水動力性能仿真計算方法的正確性及結(jié)果的可信性。 5.撲翼水下航行器樣機研制及實驗 (1)研制了撲翼航行器實驗樣機,根據(jù)實驗樣機多運動執(zhí)行單元協(xié)同運動的特點及空間多自由度運動的要求,設計了實驗樣機總體控制軟硬件系統(tǒng)； (2)在敞水中對撲翼航行器實驗樣機進行了航行性能實驗。通過實驗結(jié)果重點分析：撲翼推進器頻率和幅值對航行器直航速度和加速度的影響;三種差動轉(zhuǎn)彎模式下航行器轉(zhuǎn)向能力和轉(zhuǎn)彎效率的優(yōu)劣；控制撲翼推進器平衡偏角實現(xiàn)航行器升沉運動的可行性及不同平衡偏角下樣機的下潛能力。選取特定工況,通過對比仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果,驗證了撲翼航行器動力學模型的正確性。
【關鍵詞】：仿生 撲翼推進 水動力性能 撲翼航行器 動力學建模 運動性能
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U674.941
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-30
• 1.2.1 水下仿生推進方式分類14-16
• 1.2.2 仿魚推進機理研究現(xiàn)狀16-20
• 1.2.3 撲翼推進機理研究現(xiàn)狀20-26
• 1.2.4 撲翼水下航行器研究現(xiàn)狀26-30
• 1.3 主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排30-33
• 第二章 水下仿生撲翼推進水動力性能數(shù)值模擬研究33-61
• 2.1 撲翼運動數(shù)學模型及數(shù)值計算模型33-39
• 2.1.1 撲翼運動數(shù)學模型33-35
• 2.1.2 數(shù)值模擬計算方法35-39
• 2.1.3 算例驗證39
• 2.2 撲翼運動過程產(chǎn)生的力及流場分析39-47
• 2.2.1 撲翼周期運動推力及升力變化39-41
• 2.2.2 撲翼運動流場分析41-47
• 2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及非對稱運動方式對撲翼運動水動力性能的影響47-53
• 2.3.1 翼型厚度及彎度47-50
• 2.3.2 旋轉(zhuǎn)軸位置50
• 2.3.3 非對稱運動方式50-53
• 2.4 運動參數(shù)對撲翼水動力性能的影響53-56
• 2.4.1 頻率的影響53-54
• 2.4.2 俯仰幅值的影響54
• 2.4.3 上下拍水幅度的影響54-55
• 2.4.4 前后劃水幅度的影響55-56
• 2.5 撲翼運動推進效率研究56-60
• 2.5.1 頻率與推進效率的關系56-57
• 2.5.2 俯仰幅值與推進效率的關系57
• 2.5.3 上下拍水幅度與推進效率的關系57-58
• 2.5.4 前后劃水幅度與推進效率的關系58
• 2.5.5 三種撲翼運動方式推進效率的對比分析58-60
• 2.6 本章小結(jié)60-61
• 第三章 撲翼水下航行器外形設計及流體動力特性研究61-93
• 3.1 撲翼水下航行器外形設計與布局61-64
• 3.2 撲翼推進器流體動力特性分析64-78
• 3.2.1 展弦比的影響64-69
• 3.2.2 靜水中撲翼推進器推力特性69-74
• 3.2.3 進速比的影響74-76
• 3.2.4 平衡偏角的影響76-78
• 3.3 撲翼推進器與航行體非定常干擾研究78-85
• 3.3.1 撲翼推進器與航行體之間相互作用分析78
• 3.3.2 計算方法及求解策略78-81
• 3.3.3 不同來流速度下的相互干擾81-84
• 3.3.4 推進器與航行體相對位置的影響84-85
• 3.4 航行體流體動力計算85-92
• 3.4.1 位置力及力矩計算86-88
• 3.4.2 阻尼力及力矩計算88-92
• 3.5 本章小結(jié)92-93
• 第四章 撲翼水下航行器動力學建模及運動性能仿真研究93-119
• 4.1 坐標系與運動學參數(shù)93-96
• 4.1.1 坐標系的定義93-94
• 4.1.2 運動狀態(tài)參數(shù)定義94-95
• 4.1.3 坐標系之間的轉(zhuǎn)換95-96
• 4.2 撲翼水下航行器空間運動數(shù)學模型96-106
• 4.2.1 運動學模型96-97
• 4.2.2 動力學模型97-98
• 4.2.3 撲翼水下航行器受力分析98-106
• 4.2.4 撲翼水下航行器空間六自由度運動方程106
• 4.3 撲翼水下航行器縱平面運動性能仿真分析106-114
• 4.3.1 推進器數(shù)量對運動性能的影響分析106-109
• 4.3.2 直航運動性能仿真109-111
• 4.3.3 升沉運動性能仿真111-114
• 4.4 撲翼水下航行器水平面回轉(zhuǎn)運動性能仿真分析114-118
• 4.4.1 機動回轉(zhuǎn)模式114-115
• 4.4.2 幅值差動回轉(zhuǎn)性能仿真115-117
• 4.4.3 頻率差動回轉(zhuǎn)性能仿真117-118
• 4.5 本章小結(jié)118-119
• 第五章 撲翼推進水動力性能實驗研究119-133
• 5.1 實驗平臺搭建119-124
• 5.1.1 實驗要求119
• 5.1.2 實驗設備及測量原理119-122
• 5.1.3 影響實驗精度的因素122-124
• 5.2 實驗結(jié)果處理及分析124-131
• 5.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理124-125
• 5.2.2 運動參數(shù)對撲翼水動力性能的影響125-129
• 5.2.3 翼板形狀及尺寸對撲翼水動力性能的影響129-131
• 5.3 實驗與數(shù)值仿真結(jié)果對比分析131-132
• 5.4 本章小結(jié)132-133
• 第六章 撲翼水下航行器樣機研制及實驗133-151
• 6.1 撲翼水下航行器實驗樣機總體設計133-137
• 6.1.1 樣機總體結(jié)構(gòu)設計133-134
• 6.1.2 樣機控制系統(tǒng)設計134-137
• 6.2 樣機直航性能實驗137-141
• 6.2.0 實驗環(huán)境及數(shù)據(jù)處理方法137-138
• 6.2.1 變頻率直航性能138-139
• 6.2.2 變幅值直航性能139-141
• 6.3 樣機轉(zhuǎn)彎性能實驗141-147
• 6.3.1 快慢差動轉(zhuǎn)彎142-145
• 6.3.2 動靜差動轉(zhuǎn)彎145
• 6.3.3 反向差動轉(zhuǎn)彎145-146
• 6.3.4 三種轉(zhuǎn)彎模式的對比146-147
• 6.4 樣機升沉運動性能實驗147-149
• 6.5 本章小結(jié)149-151
• 第七章 全文總結(jié)與展望151-155
• 7.1 論文工作總結(jié)151-153
• 7.2 未來工作展望153-155
• 參考文獻155-169
• 致謝169-171
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加科研情況171-173

【參考文獻】

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本文編號：818051