多关节仿鱼运动推进机构的设计与实现

鱼类效率高、机动性强、持久力长的游动方式为人类水中运输设备提供了极佳的设计思路.通过模仿鱼类的运动方式,可设计出新颖的水下运输、作业装备.本文以仿鱼推进机构的设计和实现为目标,根据鱼类游动的特点,对其运动方式进行数字模拟,分析影响其游动性能的关键参数,并建立鱼类游动的数学模型.据此给出了一种多关节仿鱼推进机构的设计方案,完成了辅助这种仿生推进机构设计的仿真软件.借助可视化的鱼类游动及控制的仿真,给出仿鱼推进机构的关键参数,并研制了采用鱼类游动方式运动的仿生机器鱼.     

仿生水动力学研究进展综述

海洋鱼类经过数百万年的自然进化,获得了非凡的水动力性能,人类迄今为止研发的任何水下航行体尚难以超越。仿生已成为提高水下航行体水动力性能的重要技术途径。本文对仿生水动力学的研究进展进行了梳理,重点评述了仿生水动力学理论研究、仿生推进/操纵和仿生减阻三个方面的国内外研究现状和发展趋势,并对仿生水动力学研究亟需突破的瓶颈问题和技术路线给出了若干建议。     

基于拉线机构的机器鱼运动控制仿真研究

研究机器鱼是为了模仿鱼类的游动方式,研究出更为高效、灵活的水下航行器。文中介绍了一种基于拉线机构的机器鱼,主要介绍了对拉线机构应用在机器鱼推进上的仿真分析和控制。对拉线机构的鱼尾进行了仿真分析,并对比真实鱼类游动时的体干波曲线。仿真结果显示：基于拉线机构的机器鱼与传统的多关节串联驱动的机器鱼相比能更好地模拟真实鱼类的游动。制作了机器鱼样机和控制系统,用于进一步分析研究基于拉线机构的机器鱼的性能。     

新型两关节机器鱼的研制及实验研究

以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,采用模块化设计思想,设计了新型两关节仿生机器鱼"HRF-Ⅱ",其尾部模块采用单电机驱动,易于实现尾部运动参数的调整;其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的动作进行了水下实验.实验结果表明"HRF-Ⅱ"具备良好的推进特性和升潜特性,并且实现了逆向游动.     

水下航行体应用鱼类仿生推进技术的试验研究

水下仿生推进技术将是水下航行体推进技术的革命，这种推进方式是仿生学和水下航行体推进结合的产物，突破了传统的螺旋桨推进理论。初步研究了水下航行体仿生推进技术，以及波状摆动推进中C形起动模式使用不同形状尾鳍的流场结构及动力性能。一般可以将尾鳍形状划分为对称与不对称两大类，选择矩形和三角形作为这两类尾鳍的代表，对其进行了流动显示以及力矩和力测量。研究发现，两种尾鳍模型具有截然不同的流场结构：矩形会在翼尖处产生一个主涡环，而三角形会在尖角上下出现两个涡环。不同的尾迹流场结构有着不同的动力学效果。据此对比分析了不同形状的尾鳍在波状摆动推进中各自的优缺点，在此基础上进一步分析了尾鳍形状在实际工程中的应用。     

水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

超空泡航行体水下弹道的数值计算

超空泡状态下的航行体水下弹道的研究涉及固、液、气(汽)三相介质的运动.本文应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,成功模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道.     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

水下航行体空间操纵性预报研究

通过建立水下航行体空间的操纵运动数学模型,运用Visual C++设计开发水下航行体操纵运动预报系统,对水下航行体水平面、垂直面及空间典型操纵运动进行数值预报,数值模拟结果合理,能够较为全面地预报水下航行体的空间操纵运动。     

水下航行体波浪力理论预报

本文对水下航行体近水面航行状态进行波浪力的计算,计算采用STF理论和Frank源分布紧密拟合方法预报波浪力响应以及用Newman细长体方法和3D修正方法计算水下航行体的二阶平均波浪力与力矩.该方法和计算程序已经过多次模型试验结果比较和验证.采用该方法就某水下航行体计算了二种水深、七种相对浪向下近水面波浪力响应,并给出了波浪力参数随水深变化与浪向变化的计算结果.     

波状摆动式鱼类的推进性能研究

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,利用计算流体动力学软件Fluent对波状摆动式鱼类进行了数值模拟,建立波状摆动式鱼类的数值计算模型,研究不同变形参数对鱼类推进性能以及尾涡流场结构的影响。结果表明,随着波长的增加,鱼类能够获得更好的推进性能。通过对比不同频率下鱼类推进性能以及流场结构,探讨不同滑移率及斯特劳哈尔数对推进性能影响。     

小型水下航行体动力系统测试技术应用研究

本文结合小型水下航行体动力电池组和推进电机组测试的要求,对小型水下航行体电动力系统的测试技术进行了探讨.通过对电动力系统测试的技术,进而发展至与其他各系统仿真设备间的有机融合,实现在陆上进行小型水下航行体全产品测试,进而对故障的准确诊断,保证产品试验验证的充分性和有效性.     

CFD理论黏性流场中三维振动水翼的非定常水动力性能(英文)

The motion of the fins and control surfaces of underwater vehicles in a fluid is an interesting and challenging research subject. Typically the effect of fin oscillations on the fluid flow around such a body is highly unsteady, generating vortices and requiring detailed analysis of fluid-structure interactions. An understanding of the complexities of such flows is of interest to engineers developing vehicles capable of high dynamic performance in their propulsion and maneuvering. In the present study, a CFD based RANS simulation of a 3-D fin body moving in a viscous fluid was developed. It investigated hydrodynamic performance by evaluating the hydrodynamic coefficients (lift, drag and moment) at two different oscillating frequencies. A parametric analysis of the factors that affect the hydrodynamic performance of the fin body was done, along with a comparison of results from experiments. The results of the simulation were found in close agreement with experimental results and this validated the simulation as an effective tool for evaluation of the unsteady hydrodynamic coefficients of 3-D fins. This work can be further be used for analysis of the stability and maneuverability of fin actuated underwater vehicles.     

水下喷水推进器工作特性分析

在充分研究固体燃料涡轮机和高速轴流泵的基础上,提出了应用于水下航行器的喷水推进系统。研究了设计工况时,航行器、轴流泵、发动机的运动学和动力学平衡关系;在定深工况下,分析喷嘴数目变化时航行器的稳定速度;以及不同喷嘴数目时,航行器的变深和变速特性。研究结果表明,喷水推进器能够实现水下航行器大航深、高航速的性能目标。研究结果对喷水推进水下航行器具有重要的参考价值。     

Hydrodynamics study of a BCF mode bioinspired robotic-fish underwater vehicle using Lighthill’s slender body model

This paper investigates the hydrodynamic characteristics of the rectilinear motion of a robotic fish underwater vehicle. This 2-joint, 3-link multibody vehicle model is biologically inspired by a body caudal fin carangiform fish propulsion mechanism. Navier–Stokes equations are used to compute the unsteady flow fields generated due to the interaction between the vehicle and the surrounding incompressible and Newtonian fluid (water) environment. The NACA 0014 airfoil aerodynamic profile has been designed to boost the swimming efficiency by reducing drag as the vehicle undergoes an undulatory/oscillatory motion. Using the Lighthill slender body model, a traveling wave mathematical function is defined to undulate the robotic fish posterior (caudal) region while the motion tracking is carried out by dynamic meshing technique. The results obtained show that though the net lift force approaches to zero, the net thrust or negative drag coefficient maintains a finite value dependent on kinematic parameters like tail beat frequency (TBF) and amplitude span (AS) at a given propulsive wavelength and the forward velocity of the vehicle. The results reveal the effects of TBF and AS on the coefficient of drag friction and the thrust force. Drag coefficients obtained from the simulations are compared and validated with the experimental results. The hydrodynamic results are found to be similar to the kinematic study results and suggest that TBF and AS play the most effective roles in the bioinspired propulsion technique. Relation of these parameters with propelling thrust force and forward velocity is also in conjunction over a given range of TBF and AS values.     

潜器动力定位的仿生鱼尾推进控制分析

仿生鱼尾推进器是一种高效率、高机动和低噪声的新型水下推进器。以该新型推进器为研究对象，建立仿生鱼尾动力学模型和以仿鱼尾推进的潜器动力定位模型。利用仿真实验得出的数据分析仿生鱼尾摆动频率以及摆动幅度和各关节之间相位差等因素对仿生鱼尾推进性能的影响，采用PID控制算法对仿鱼尾推进的潜器在一维方向的动力定位进行仿真。仿真结果表明，仿生鱼尾推进在潜器的动力定位中可以实现初步的性能要求。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

模块化小型水下航行器设计及其水动力学性能研究

基于模块化思想,设计一种小型水下航行器,该航行器共分为艏舱、前侧推进舱、前浮力舱、主控舱、后浮力舱、后侧推进舱和艉舱7个舱室,并在航行器上安装可拆卸式滑翔翼板,由滑翔翼提供向上升力。设计完成后,建立航行器的三维数值仿真模型,采用CFD软件对其进行水动力学性能预报,分析水下航行器的流场分布以及不同攻角下的升力和阻力特性,并通过试验验证数值仿真结果的准确性,为新型水下小型航行器的设计提供研究思路。