發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 10:09

　　 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(jìn)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(duì)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(jī)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(jī)械逐漸成為機(jī)械學(xué)科的新研究熱點(diǎn)。模仿不同游動(dòng)方式的仿生機(jī)器魚在國內(nèi)外相繼面世,將給水下推進(jìn)技術(shù)帶來新的變革。仿生機(jī)器魚的研制,離不開對(duì)魚游動(dòng)機(jī)理的研究。為深入探索仿生原型的推進(jìn)機(jī)理,國內(nèi)外研究者采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測試的方法進(jìn)行了研究,但都沒有獲得與真魚相媲美的游動(dòng)推進(jìn)效果。因此,本文從揭示晶吻鰩波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理出發(fā),對(duì)仿生晶吻鰩模型的直線前游和轉(zhuǎn)彎等問題進(jìn)行研究。以研究仿生對(duì)象的推進(jìn)機(jī)理為出發(fā)點(diǎn),提出了一種用于求解仿生模型多自由度運(yùn)動(dòng)的數(shù)值方法。首先,建立計(jì)算域(流體域)的控制方程;其次,給定仿生模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,建立魚體域的控制方程;第三,耦合計(jì)算流體域和魚體域的控制方程,將魚體的主動(dòng)變形輸入流場中,使魚體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到周圍流場域,由于力的作用是相互的,流體會(huì)對(duì)魚體產(chǎn)生一個(gè)反作用力,從而驅(qū)動(dòng)魚體在流場中行進(jìn);最后采用三維形變翼型算例驗(yàn)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(duì)仿生晶吻鰩模型直線前游進(jìn)行研究,求解魚體從靜止開始運(yùn)動(dòng),逐漸加速直至收斂到穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的過程。分別研究了魚體胸鰭的波動(dòng)頻率、波數(shù)和幅值對(duì)魚體的直線前游性能的影響,并據(jù)此判斷不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下仿生晶吻鰩模型的推進(jìn)性能的優(yōu)劣,同時(shí)采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法具體分析各運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)直線前游性能的影響,并建立頻率、波數(shù)和幅值與推進(jìn)速度和推進(jìn)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(jī)動(dòng)性,因此,利用提出的數(shù)值方法,對(duì)仿生晶吻鰩模型的轉(zhuǎn)彎進(jìn)行研究。分別研究了魚體胸鰭上的頻率、波數(shù)和幅值對(duì)魚體的轉(zhuǎn)彎性能的影響。采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法具體分析兩種不同轉(zhuǎn)彎方式下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)彎性能的影響,并建立胸鰭上行波反向傳播轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shí)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(jī)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(jì)魚體胸鰭上的運(yùn)動(dòng)次序,實(shí)現(xiàn)胸鰭上行波的傳遞。對(duì)機(jī)器魚進(jìn)行了直線前游和轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn),直線前游時(shí),機(jī)器魚游動(dòng)的線性非常好;轉(zhuǎn)彎推進(jìn)時(shí),機(jī)器魚原地轉(zhuǎn)彎的效果非常好,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致,從而驗(yàn)證胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：Q811;TP242
【部分圖文】：

其進(jìn)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(jìn)性能，給出了最優(yōu)的組合推進(jìn)聯(lián)動(dòng)推進(jìn)的機(jī)理[76]。Liu 等采用數(shù)值仿真方法對(duì)大西洋式進(jìn)行研究，仿真結(jié)果表明大西洋鰩魚采用波動(dòng)模式運(yùn)采用拍動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)時(shí)性能最優(yōu)，仿真結(jié)果得出的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)方式一致[77]。

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

日本科研工作者就開始了胸鰭推進(jìn)模式仿生魚的研制。如圖1-7 a)所示，這是首臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)水下自主游動(dòng)的仿胸鰭推進(jìn)的機(jī)器魚[105]。該樣機(jī)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(jī)體長 0.65m，展寬 0.5m，采用雙四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)的最大游速為 0.6m/s。但由于兩側(cè)胸鰭的推進(jìn)力不一致，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)偏航。2007 年，日本大阪大學(xué) Suzumori 等對(duì)被動(dòng)柔性胸鰭和主動(dòng)柔性胸鰭進(jìn)行

本文編號(hào)：2882072