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柔性仿生波动鳍推进理论与实验研究

章永华  
【摘要】: 随着社会的不断发展,人类对陆地资源的开发需求日益膨胀,势必将导致资源的逐步耗竭。约占地球总面积71%的海洋蕴藏着巨大的潜力和无穷的奥妙,因此,设计高性能的水下推进器去探索海底的未知世界和丰富的资源已成为各国关注的热点和核心问题之一。鱼类作为海洋的主要“居民”经过上亿年的进化和自然选择,形成了适合海洋环境的独特形态和运动方式。其中波动鳍推进模式具有高效、高机动性和低流体扰动并且易于向水下推进器移植等显著优点,为未来水下推进器的仿生设计提供了新的选择,具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。 本文以蓝点魟鱼类为研究对象,在详细观察分析其生物形态和波动运动特征以及生理结构的基础上,基于蓝点魟胸鳍结构、运动特征及推进功能开展仿生波动鳍的研究。论文主要围绕仿生波动鳍的结构设计、数值计算和实验验证三方面展开,并在如何利用新型智能材料作为驱动源研制仿生鱼鳍方面做了初步尝试和探讨,为仿生水下推进器的发展方向抛砖引玉,主要研究内容如下: 1.仿生鱼鳍波动推进系统的设计与分析。结合实验室早期对仿生对象蓝点魟的定性观察和引用了L.J.Rosenberger等人大量的相关研究结论,深入开展了仿生对象生物形态、胸鳍波动运动特征以及生理结构等方面的研究,给出了这些参数随着游速变化的定量趋势,为仿生鱼鳍波动推进机构的设计和控制提供了客观依据和科学指导。根据仿生对象研究启示,基于模块化设计理念,在国内率先研制成功仿生蓝点魟模型。深入分析了仿生蓝点魟鱼鳍鳍条的运动学和动力学特性,与此同时建立了鱼鳍波动推进的运动学与动力学模型,并对鱼鳍波动推进力和推进速度进行了理论推导。针对仿生蓝点魟推进系统与控制系统一体化设计的技术特点,提出了蓝点魟胸鳍用于推进与姿态控制的控制方法,通过主动调节多个设计参数实现推进器的巡游、转弯、沉浮等基本运动方式,结合水下红外传感器阵列实现避障功能。 2.仿生鱼鳍波动推进的数值计算。建立了以仿生蓝点魟为样本的简化二维及三维胸鳍波动运动模型,以不可压缩非稳定的N-S方程为主控方程,基于有限体积法与非结构网格的SIMPLE算法的控制方程离散,结合动网格技术,对仿生鳍条摆动过程和鱼鳍波动过程进行数值计算,综合分析了运动学参数、波动模式、波动鳍鳍面形状、鳍条刚度和倾角对游动性能的影响。给出了鱼鳍波动游动时流场信息以及总体受力情况,显示出了反卡门涡街的形成,并从涡动力学角度揭示了推力产生的流体力学机理。数值计算结果的正确性在随后的实验研究得以验证。 3.仿生鱼鳍波动推进的实验研究。根据测试对象和测试内容的不同,分为鳍条摆动过程实验测试和仿生波动鱼鳍测量实验。鳍条摆动过程实验测试系统由运动机构及其控制系统、流场显示系统和测力系统组成。运动机构及其控制系统能模拟鳍条摆动的运动过程,流场显示系统能获得摆动运动流场涡结构的演化过程,测力系统能正确测量摆动运动过程中鳍条所受升阻力的变化规律。仿生鱼鳍波动实验系统则包括游速测量系统、推进力测量系统和功率测量系统组成,采用正交试验设计方案,分别使用极差分析和方差分析对波频、波幅、波长等运动学参数,波动模式,鱼鳍鳍面形状以及他们之间交互作用对游动速度、推进力、效率的影响进行详细的分析。同时还进行了鳍条刚度对游动性能影响的对比实验。实验结果较好地验证了理论推导和数值计算结论的可信性和正确性。 4.仿生鱼鳍装置的初步改进。机电系统在工作原理、外形和性能等方面都与动物肌肉存在很大区别,尤其是缺乏类似动物“肌腱”的高性能储能元件。因此,本文在利用更接近肌肉驱动特征的智能材料作为驱动源的柔性仿生鱼鳍研究上做了一些探讨性工作。通过分析比较目前常见和相对比较成熟的几种智能材料的性能,最终选定N_iT_i形状记忆合金材料。同时针对柔性仿生鱼鳍的结构特点以及形状记忆合金材料本身的特性,提出了以一对差动方式安装的具有单向形状记忆效应的薄板状形状记忆合金作为鳍条基本单元,以应变传感器检测和反馈形状记忆合金薄板弯曲形变量,以模糊控制作为基本运动控制算法,实现了柔性鱼鳍的摆动和波动运动。通过实验给出了形状记忆合金鳍条弯曲输出力与薄板厚度的关系,鳍条最大偏转角度与厚度的关系以及加热电流占空比与鳍条最大偏转角度的关系,对仿生鱼鳍的设计进行了初步的优化。


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