自然界中的生物經(jīng)歷了千百萬年的大自然的洗禮,最終進化為適應(yīng)生存環(huán)境的生物,在這過程中取得了非凡的環(huán)境適應(yīng)能力。因此,對自然界中的生物的研究和模仿,有助于提升人類的科學(xué)技術(shù)。近年來,仿生機械在我國的海洋開發(fā)和水下探測的需求越來越多,仿生機械逐漸成為機械學(xué)科的新研究熱點。模仿不同游動方式的仿生機器魚在國內(nèi)外相繼面世,將給水下推進技術(shù)帶來新的變革。仿生機器魚的研制,離不開對魚游動機理的研究。為深入探索仿生原型的推進機理,國內(nèi)外研究者采用理論分析和實驗測試的方法進行了研究,但都沒有獲得與真魚相媲美的游動推進效果。因此,本文從揭示晶吻鰩波動推進機理出發(fā),對仿生晶吻鰩模型的直線前游和轉(zhuǎn)彎等問題進行研究。以研究仿生對象的推進機理為出發(fā)點,提出了一種用于求解仿生模型多自由度運動的數(shù)值方法。首先,建立計算域(流體域)的控制方程;其次,給定仿生模型的運動學(xué)方程,建立魚體域的控制方程;第三,耦合計算流體域和魚體域的控制方程,將魚體的主動變形輸入流場中,使魚體的運動轉(zhuǎn)移到周圍流場域,由于力的作用是相互的,流體會對魚體產(chǎn)生一個反作用力,從而驅(qū)動魚體在流場中行進;最后采用三維形變翼型算例驗證了數(shù)值方法的正確性,并將其應(yīng)用到仿生晶吻鰩模型的直線前游和轉(zhuǎn)彎性能的研究中。利用提出的數(shù)值方法,對仿生晶吻鰩模型直線前游進行研究,求解魚體從靜止開始運動,逐漸加速直至收斂到穩(wěn)態(tài)游動的過程。分別研究了魚體胸鰭的波動頻率、波數(shù)和幅值對魚體的直線前游性能的影響,并據(jù)此判斷不同運動學(xué)參數(shù)下仿生晶吻鰩模型的推進性能的優(yōu)劣,同時采用響應(yīng)曲面設(shè)計法具體分析各運動參數(shù)對直線前游性能的影響,并建立頻率、波數(shù)和幅值與推進速度和推進效率之間的函數(shù)關(guān)系式。晶吻鰩需要能應(yīng)付多種突發(fā)狀況,例如急轉(zhuǎn)彎、追趕食物和躲避捕獲等,這些都需要魚體具有較高的機動性,因此,利用提出的數(shù)值方法,對仿生晶吻鰩模型的轉(zhuǎn)彎進行研究。分別研究了魚體胸鰭上的頻率、波數(shù)和幅值對魚體的轉(zhuǎn)彎性能的影響。采用響應(yīng)曲面設(shè)計法具體分析兩種不同轉(zhuǎn)彎方式下的運動參數(shù)對轉(zhuǎn)彎性能的影響,并建立胸鰭上行波反向傳播轉(zhuǎn)彎時頻率、波數(shù)和幅值與轉(zhuǎn)彎角速度之間的函數(shù)關(guān)系式,胸鰭上行波同向傳播時中心頻率和中心幅值與轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)彎角速度之間的函數(shù)關(guān)系式。研制了仿晶吻鰩機器魚,利用模具成型方法,復(fù)制了真魚胸鰭的外形輪廓,通過設(shè)計魚體胸鰭上的運動次序,實現(xiàn)胸鰭上行波的傳遞。對機器魚進行了直線前游和轉(zhuǎn)彎實驗,直線前游時,機器魚游動的線性非常好;轉(zhuǎn)彎推進時,機器魚原地轉(zhuǎn)彎的效果非常好,實驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致,從而驗證胸鰭波動推進模式的有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：Q811;TP242
【部分圖文】：

其進行數(shù)值仿真[75]。圖 1-4 給出了仿生魚（身體與胸鰭中的渦結(jié)構(gòu)。2013 年，Hu 從初始速度場和壓力場的角器魚胸鰭和尾鰭復(fù)合推進性能，給出了最優(yōu)的組合推進聯(lián)動推進的機理[76]。Liu 等采用數(shù)值仿真方法對大西洋式進行研究，仿真結(jié)果表明大西洋鰩魚采用波動模式運采用拍動模式運動時性能最優(yōu)，仿真結(jié)果得出的最優(yōu)運動方式一致[77]。

John等研制的單鰭仿生機構(gòu)Fig.1-6BionicpectoralfinmachinedesignedbyJohn早在2004年，日本科研工作者就開始了胸鰭推進模式仿生魚的研制

日本科研工作者就開始了胸鰭推進模式仿生魚的研制。如圖1-7 a)所示，這是首臺能夠?qū)崿F(xiàn)水下自主游動的仿胸鰭推進的機器魚[105]。該樣機的胸鰭由柔性乙烯樹脂薄膜制成，鰭骨為淬火鋼帶。仿生樣機體長 0.65m，展寬 0.5m，采用雙四桿機構(gòu)驅(qū)動，實現(xiàn)的最大游速為 0.6m/s。但由于兩側(cè)胸鰭的推進力不一致，導(dǎo)致運動過程中出現(xiàn)偏航。2007 年，日本大阪大學(xué) Suzumori 等對被動柔性胸鰭和主動柔性胸鰭進行

本文編號：2882072