發(fā)布時間：2020-11-13 10:09

　　 自然界中的生物經歷了千百萬年的大自然的洗禮,最終進化為適應生存環(huán)境的生物,在這過程中取得了非凡的環(huán)境適應能力。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技術。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科的新研究熱點。模仿不同游動方式的仿生機器魚在國內外相繼面世,將給水下推進技術帶來新的變革。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,使魚體的運動轉移到周圍流場域,由于力的作用是相互的,流體會對魚體產生一個反作用力,從而驅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值方法的正確性,并將其應用到仿生晶吻鰩模型的直線前游和轉彎性能的研究中。利用提出的數值方法,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、波數和幅值對魚體的直線前游性能的影響,并據此判斷不同運動學參數下仿生晶吻鰩模型的推進性能的優(yōu)劣,同時采用響應曲面設計法具體分析各運動參數對直線前游性能的影響,并建立頻率、波數和幅值與推進速度和推進效率之間的函數關系式。晶吻鰩需要能應付多種突發(fā)狀況,例如急轉彎、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,利用提出的數值方法,對仿生晶吻鰩模型的轉彎進行研究。分別研究了魚體胸鰭上的頻率、波數和幅值對魚體的轉彎性能的影響。采用響應曲面設計法具體分析兩種不同轉彎方式下的運動參數對轉彎性能的影響,并建立胸鰭上行波反向傳播轉彎時頻率、波數和幅值與轉彎角速度之間的函數關系式,胸鰭上行波同向傳播時中心頻率和中心幅值與轉彎半徑及轉彎角速度之間的函數關系式。研制了仿晶吻鰩機器魚,利用模具成型方法,復制了真魚胸鰭的外形輪廓,通過設計魚體胸鰭上的運動次序,實現胸鰭上行波的傳遞。對機器魚進行了直線前游和轉彎實驗,直線前游時,機器魚游動的線性非常好;轉彎推進時,機器魚原地轉彎的效果非常好,實驗結果與數值仿真結果一致,從而驗證胸鰭波動推進模式的有效性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：Q811;TP242
【部分圖文】：

其進行數值仿真[75]。圖 1-4 給出了仿生魚（身體與胸鰭中的渦結構。2013 年，Hu 從初始速度場和壓力場的角器魚胸鰭和尾鰭復合推進性能，給出了最優(yōu)的組合推進聯動推進的機理[76]。Liu 等采用數值仿真方法對大西洋式進行研究，仿真結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，這是首臺能夠實現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，采用雙四桿機構驅動，實現的最大游速為 0.6m/s。但由于兩側胸鰭的推進力不一致，導致運動過程中出現偏航。2007 年，日本大阪大學 Suzumori 等對被動柔性胸鰭和主動柔性胸鰭進行

本文編號：2882072