本文關(guān)鍵詞：主被動(dòng)變形魚鰭推進(jìn)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著世界經(jīng)濟(jì)與能源環(huán)境的變化,國家海洋安全所占的戰(zhàn)略地位也越來越重要。一方面海洋蘊(yùn)藏大量的資源,能夠滿足國家未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求；另一方面海洋也具有極其重要的軍事地位,獲取海洋的軍事優(yōu)勢,有利于保障國家安全。當(dāng)前對于海洋的探索主要依靠傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式,由于其推進(jìn)效率低、隱身性能差、機(jī)動(dòng)性能差等缺點(diǎn),不再能滿足人類對于海洋探索的急迫需求。人們的目光自然就轉(zhuǎn)向了無論在形態(tài)上還是運(yùn)動(dòng)上都已經(jīng)完美適應(yīng)了海洋環(huán)境的魚類,并根據(jù)魚類游動(dòng)機(jī)理研制了仿魚水下推進(jìn)器。仿魚水下推進(jìn)器由于其模仿魚類推進(jìn)方式,具有高效、高機(jī)動(dòng)性以及高隱身性能等特點(diǎn),其在資源探索、水下救災(zāi)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景,受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。 本文以仿生學(xué)研究為起點(diǎn),圍繞魚鰭高推進(jìn)性能的關(guān)鍵問題,首先對錦鯉的胸鰭進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,然后系統(tǒng)的研究了魚鰭剛度對其推進(jìn)性能的影響,同時(shí)設(shè)計(jì)和研制了主動(dòng)變面積與主動(dòng)變形仿生魚鰭,對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并探索高推進(jìn)力與推進(jìn)效率的獲取,為未來主動(dòng)變形柔性水下推進(jìn)器的研制奠定了基礎(chǔ)。 主要研究內(nèi)容和成果如下： (1)以錦鯉為研究對象,采用高速攝像系統(tǒng)對其不同游動(dòng)姿態(tài)下的胸鰭形態(tài)進(jìn)行了觀察和拍攝。然后利用數(shù)字圖像處理方法,對鰭面上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和提取,進(jìn)而對胸鰭的鰭面特征進(jìn)行了分析,計(jì)算了各個(gè)鰭條在鰭面和垂直于鰭面方向的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)計(jì)算了胸鰭在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的面積變化,并利用奇異值分解方法,對胸鰭的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了降維與分解,得出了其運(yùn)動(dòng)的四種基本模式：擴(kuò)張、彎曲、卷曲和波動(dòng)。通過這些基本姿態(tài)的不同權(quán)重疊加,就可以實(shí)現(xiàn)魚鰭任意運(yùn)動(dòng)姿態(tài),這為研究活魚復(fù)雜運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的水動(dòng)力提供了方法,也為后續(xù)仿生鰭的研制以及控制提供了的知識(shí)儲(chǔ)備與基礎(chǔ)。 (2)采用流固耦合數(shù)值計(jì)算方法,系統(tǒng)的研究了柔性魚鰭的推進(jìn)性能,并探討了魚鰭的被動(dòng)變形以及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。首先對單關(guān)節(jié)魚鰭進(jìn)行了簡化與建模,分析和比較了剛性、柔性以及剛度非均勻分布柔性魚鰭的流場結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力,發(fā)現(xiàn)柔性魚鰭結(jié)構(gòu)具有延遲驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的效應(yīng),并且其流場結(jié)構(gòu)與剛性魚鰭有顯著不同。在三種魚鰭模型中,剛度變化的柔性魚鰭有最好的推進(jìn)性能。然后進(jìn)一步系統(tǒng)的研究了魚鰭本構(gòu)剛度特征-楊氏模量、形態(tài)剛度特征-慣性矩以及綜合剛度特征-抗彎剛度對魚鰭推進(jìn)性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)剛度對于推進(jìn)力的影響不是單調(diào)增減的,而是在特定的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下,存在最優(yōu)剛度,能夠獲取最大推進(jìn)力。我們也建立雙關(guān)節(jié)的魚鰭模型,對兩個(gè)關(guān)節(jié)以及鉸接處的剛度進(jìn)行了組合分析,對比了不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下不同剛度組合的壓力分布云圖、結(jié)構(gòu)變形以及水動(dòng)力。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率比較低時(shí),剛性首節(jié)-剛性尾節(jié)魚鰭的推進(jìn)力比較大,而當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率升高時(shí),剛性首節(jié)-柔性尾節(jié)魚鰭的推進(jìn)力增加明顯,并且取得最大值。同時(shí),鉸接剛度與魚鰭剛度也有較強(qiáng)的耦合作用,在大鉸接剛度時(shí),剛性首節(jié)-柔性尾節(jié)魚鰭組合具有較好的推進(jìn)性能,而當(dāng)鉸接剛度變小時(shí),中等柔性首節(jié)-中等柔性尾節(jié)魚鰭組合表現(xiàn)最為優(yōu)異。 (3)基于胸鰭仿生學(xué)研究,我們發(fā)現(xiàn)胸鰭在運(yùn)動(dòng)過程中,展現(xiàn)出了復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng),鰭面形態(tài)特征變化顯著,因此我們提出了水下主動(dòng)變形推進(jìn)的概念,并對其進(jìn)行了闡述與分類。并且我們以魚鰭面積的瞬時(shí)變化為切入點(diǎn),設(shè)計(jì)了兩種主動(dòng)變面積魚鰭模型,提出了四種變面積控制策略,并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了水動(dòng)力與效率的測量與計(jì)算。第一種是半主動(dòng)變面積魚鰭,其面積變化大小由水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)向外沖程大面積魚鰭能產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。第二種是完全主動(dòng)變面積魚鰭,魚鰭面積變化大小與快慢實(shí)現(xiàn)完全人為控制。我們詳細(xì)比較了四種變面積控制策略的推進(jìn)力和效率,并重點(diǎn)分析了向內(nèi)沖程大面積以及向外沖程大面積兩種控制模式下不同的變面積參數(shù)如面積變化率與面積變化時(shí)間的推進(jìn)性能,同時(shí)也研究了其與不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的耦合作用。研究結(jié)果表明,向內(nèi)沖程大面積控制策略魚鰭模型在一定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)下能取得較高的推進(jìn)效率和推進(jìn)力,為變形魚鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路啟發(fā)。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出變面積魚鰭性能與其面積變化率、面積變化時(shí)間等形態(tài)學(xué)參數(shù)和拍動(dòng)周期、擺幅等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)耦合作用明顯,必須綜合考慮變面積控制策略、面積變化形態(tài)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),才能獲取較好的推進(jìn)性能。 (4)基于同時(shí)獲取高速、高效、高機(jī)動(dòng)性能水下推進(jìn)器的目的,將水下主動(dòng)變形推進(jìn)概念應(yīng)用于尾鰭設(shè)計(jì),研制了可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)形態(tài)變化的尾鰭,其能實(shí)現(xiàn)從新月形尾鰭到扇形尾鰭的無級切換,我們主要研究了三種形態(tài)：新月形、梯形和扇形,以模仿高速游動(dòng)的金槍魚,高加速性能的梭子魚和高機(jī)動(dòng)性能的蝴蝶魚的尾鰭形態(tài)。通過魚鰭的變形,使其能夠在不同游動(dòng)條件或者工況下,都能切換為最優(yōu)性能的魚鰭,實(shí)現(xiàn)全程或者全任務(wù)響應(yīng)最優(yōu)的目的。同時(shí),我們搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對其在不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下的推進(jìn)性能進(jìn)行了分析和比較。
【關(guān)鍵詞】：仿生魚鰭 柔性推進(jìn)機(jī)理 主動(dòng)變面積魚鰭 主動(dòng)變形魚鰭 推進(jìn)性能
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：Q811.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 緒論17-35
• 1.1 研究背景及意義17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-30
• 1.2.1 仿生學(xué)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 理論研究現(xiàn)狀22-24
• 1.2.3 數(shù)值計(jì)算研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.4 仿魚推進(jìn)器研究現(xiàn)狀25-30
• 1.3 仿魚水下推進(jìn)研究啟示30-32
• 1.3.1 魚鰭三維復(fù)雜運(yùn)動(dòng)解析30-31
• 1.3.2 柔性魚鰭與流體耦合作用31
• 1.3.3 魚鰭主動(dòng)變形獲取最優(yōu)性能31-32
• 1.4 論文研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)32-35
• 1.4.1 論文研究內(nèi)容32-33
• 1.4.2 論文組織結(jié)構(gòu)33-35
• 第二章 魚鰭仿生學(xué)研究35-45
• 2.1 引言35
• 2.2 實(shí)驗(yàn)觀測系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理方法35-37
• 2.3 魚鰭運(yùn)動(dòng)學(xué)分析37-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 第三章 柔性魚鰭推進(jìn)機(jī)理數(shù)值研究45-75
• 3.1 引言45
• 3.2 流固耦合基本概念與數(shù)值計(jì)算方法45-51
• 3.2.1 基本概念45-46
• 3.2.2 求解控制方程46-48
• 3.2.3 耦合求解方法48-49
• 3.2.4 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)49-50
• 3.2.5 ADINA軟件介紹50
• 3.2.6 流固耦合求解流程50-51
• 3.3 單關(guān)節(jié)柔性鰭推進(jìn)機(jī)理研究51-62
• 3.3.1 模型建立與相關(guān)參數(shù)設(shè)置51-52
• 3.3.2 非均勻剛度魚鰭水動(dòng)力性能研究52-57
• 3.3.3 均勻剛度魚鰭水動(dòng)力性能研究57-62
• 3.4 多關(guān)節(jié)柔性鰭推進(jìn)機(jī)理研究62-73
• 3.4.1 模型建立與相關(guān)參數(shù)設(shè)置63-65
• 3.4.2 不同關(guān)節(jié)剛度對推進(jìn)性能的影響65-69
• 3.4.3 不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對推進(jìn)性能的影響69-71
• 3.4.4 不同鉸接剛度對推進(jìn)性能的影響71-73
• 3.5 本章小結(jié)73-75
• 第四章 主動(dòng)變面積魚鰭設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究75-93
• 4.1 引言75
• 4.2 水下主動(dòng)變形推進(jìn)的概念與內(nèi)涵75-76
• 4.3 半主動(dòng)變面積魚鰭推進(jìn)性能研究76-81
• 4.3.1 半主動(dòng)變面積魚鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)76-77
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建77-78
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析78-81
• 4.4 全主動(dòng)變面積魚鰭推進(jìn)性能研究81-92
• 4.4.1 全主動(dòng)變面積魚鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)81-86
• 4.4.2 面積變化模式對水動(dòng)力性能的影響研究86-87
• 4.4.3 面積變化參數(shù)對水動(dòng)力性能的影響研究87-90
• 4.4.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對水動(dòng)力性能的影響研究90-92
• 4.5 本章小結(jié)92-93
• 第五章 主動(dòng)變形魚鰭設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究93-103
• 5.1 引言93
• 5.2 主動(dòng)變形魚鰭設(shè)計(jì)93-96
• 5.2.1 生物學(xué)靈感與啟發(fā)93-94
• 5.2.2 主動(dòng)變形魚鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)94-95
• 5.2.3 主動(dòng)變形魚鰭驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)95-96
• 5.3 主動(dòng)變形魚鰭推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究96-101
• 5.3.1 主動(dòng)變形魚鰭實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建96-97
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析97-101
• 5.4 本章小結(jié)101-103
• 第六章 總結(jié)與展望103-107
• 6.1 全文總結(jié)103-105
• 6.1.1 論文的主要研究成果103-105
• 6.1.2 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)105
• 6.2 研究展望105-107
• 參考文獻(xiàn)107-117
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果117-119
• 致謝119-120

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：252990