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SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究

杜威  
【摘要】: 随着海洋资源开发的深入和仿生学的进步,仿生水下机器人越来越受到科研工作者的关注。由于鱼类游动效率高,机动性好,国内外研制了多种模仿鱼类游动的机器鱼。然而大多数机器鱼采用身体/尾鳍摆动游动模式,利用电动机驱动的刚性关节来模拟鱼类柔性的动作,结构复杂且噪音较大,与鱼类的游动能力尚有较大差距。乌贼是一种具有高超游动能力的海洋动物,它能够通过高推进力的喷射实现游动,其速度和灵活性足以与鱼类媲美。本文对乌贼的喷射游动进行研究,提出并实现仿乌贼脉冲喷射推进器原型。 首先,分析了乌贼喷射游动的机理,乌贼外套膜肌肉组织。研究了喷射游动规律以及喷射过程中外套膜肌肉的动作。乌贼喷射与火箭喷射原理相似,故采用火箭发动机推进效率来计算其流体推进效率。乌贼能够通过以较低的速度喷射较大质量的液体,获得较高的推进效率。在喷射过程中,外套膜中的环状肌占主导作用,外膜套的应变约为10%。外套膜收缩时,弹性能存储,外套膜充水时,弹性能释放,从而提高能量利用率。 其次,为探索乌贼喷射后的射流周围的流场,辅助仿乌贼喷射推进器设计,采用计算流体力学中的动网格技术,对活塞喷射模型和仿乌贼外套膜喷射模型进行了研究。活塞喷射模型检验了利用FLUENT软件模拟喷射流场的可行性。探究不同外套膜收缩速度和喷嘴直径喷射平均推进力的变化。 最后,设计并实现了仿乌贼喷射推进器原型。该原型为准柔性,由仿乌贼外套膜的外套膜段和仿乌贼漏斗的漏斗段组成,采用SMA丝作为致动器。对外套膜段的结构进行了详细讨论和试验研究,为增大应变,SMA丝采用“V”字形布丝法。对无进水膜推进器原型进行了喷射试验,实现了推进功能,通电后0.8-1.4s内推进器平均速度达到58 mm/s,外套膜段最大应变达到8.77%。对有进水膜的漏斗段进行了进水膜动作试验,进水膜可以实现快速大幅度动作并迅速恢复到初始状态,能够满足充水过程的动作需要。仿乌贼喷射推进器原型无噪音,环保、结构简单、动作柔和,能够达到乌贼慢速游动时的应变,实现脉冲推进功能,为仿生乌贼水下机器人的进一步研制提供了有益参考。


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