柔性尾鳍仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

文章数值模拟了柔性尾鳍的仿金枪鱼水下机器人从静止加速到稳定巡游的自主游动过程,分析了其运动过程中的运动和水动力性能特点及变化,并与刚性尾鳍模型进行了比较.同时详细分析了尾鳍的运动参数如频率,摆动幅度,横移振幅对仿金枪鱼自主游动过程的影响.结果表明,仿金枪鱼在启动加速时效率较低,柔性变形可以较大地提高仿金枪鱼的推进效率;尾鳍的运动参数对自主游动过程有很大的影响:在一定的范围内,增大尾鳍的运动频率、摆动幅度和横移振幅可以提高运动速度、推力和推进效率,但过大的摆幅会降低推进效率.     

自主航行模式下二维摆动尾鳍的推进性能研究

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对自主推进尾鳍的水动力特性进行数值模拟,分析了尾鳍在静水中作纵摇以及自主航行运动时的流场结构及水动力性能,建立了尾鳍摆动自主推进数值计算模型,研究了不同运动参数对尾鳍流场结构及水动性能的影响,确定了自主推进模式下的尾鳍运动速度,结果表明,随着尾鳍摆动频率的增加,尾鳍能够获得更大的推进和前进速度;通过对比尾鳍在约束模式和自主航行模式下的尾涡流场结构及演变过程,探讨了尾鳍惯性对其推进性能的影响.计算结果与文献模型实验具有良好的一致性.     

仿生机器鱼的运动规律研究

仿生机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路，是近几年水下机器人领域的研究热点之一。基于仿生机器鱼的运动模型，研究了它的运动规律，并进行了计算机仿真研究。仿真结果表明，尾鳍摆动频率和两关节相位差对推进速度有较大的影响。     

基于CFD的喷水推进双体船横移运动水动力性能研究

基于计算流体力学(CFD)理论,选用SST k-ω湍流模式封闭RANS方程,研究喷水推进双体船横向平移运动水动力性能。对喷水推进双体船模在不同横移航速下的粘性流场进行数值模拟,计算结果和水池拖曳试验结果进行比较,两者吻合较好,表明CFD可以用于双体船横移运动水动力性能研究。通过分析发现,双体船横移时的阻力随航速增加而快速增加;前片体阻力明显大于后片体;水动力作用点的位置随航速的改变幅度不大。准确掌握船体横移运动水动力性能,可为合理制定喷水推进器的控制策略,充分发挥喷水推进船优异的机动性和操纵性提供理论依据。     

摆动平板水动力性能的实验与数值研究

为了研究仿生水翼推进性能，本文设计了一种两自由度摆动平板实验装置，并在循环水池环境下完成不同参数耦合情况下摆动平板的推进性能实验。实验测量了两自由度摆动平板在不同来流速度下的受力、转矩和效率等水动力性能。随后，计算了具有同样横荡和首摇幅度下摆动平板的水动力性能，实验和数值结果对比发现，二者的推进效率、受力和力矩都较为接近。由于在所有实验工况中，摆动平板能达到的峰值效率较低，为了分析其原因，本文进一步对平板前后缘导圆、无限展长假设和增大横荡幅度的情况进行了数值分析。结果显示，前后缘导圆、下端部、自由液面和横荡幅度都对摆动平板的效率有较大影响，其中，无限展长大摆幅导圆平板的效率峰值可达70.7%。最后，对摆动平板的功率进行了分析，分析中发现摆动平板的主要输入功率来自侧向力做功，转矩几乎不做功。     

仿生机器鱼胸尾鳍协同推进的水动力学分析

利用CFD技术对仿箱鲀科胸尾鳍协同推进机器鱼的水动力学特性进行分析,将整个机器鱼放入流场,对其胸鳍推进模式、尾鳍推进模式和胸尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。分析得出,在压力变化云图中,胸尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;在速度涡量变化图中,胸尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,与尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸尾鳍协同推进模式是一种高效的推进机制。     

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.     

一种仿生水下机器人的研究进展

近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一.本文介绍了哈尔滨工程大学研制的"仿生-Ⅰ"号水下机器人.该机器人以蓝鳍金枪鱼为模本,长2.4m,前体固定,后体(约1/3体长)为具有3个节点的摆动装置,采用月牙形尾鳍.水动力计算和水池实验表明,仿鱼推进和操纵方式比传统的桨舵具有高效性和高机动性.     

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。     

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。     

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。     

较大周期波浪作用下大型系泊(LNG)船舶运动响应试验研究

采用物理模型试验方法,对横向较大周期波浪作用下一艘大型系泊(LNG)船舶运动响应特性进行了研究。结果表明:系泊船舶纵移、横移和回转运动存在着自振周期;横移运动为周期性运动,横移自振周期与船舶横摇固有周期比值在1.11～1.23间,且横移运动峰值随着波浪周期的增大而增大;不同装载状态下,升沉运动随波浪周期增大的变化规律一致,升沉运动量最大值大于波高;横向波浪作用下,系泊船舶纵摇运动受波浪周期变化影响很小;横摇运动为周期性运动,横摇自振周期与船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48间,横摇运动峰值随波浪周期增大而增大。     

漂移运动对横浪中船体横摇的影响

实验论述船体在激烈规则横浪中漂移运动对横摇的影响。船体运动测量结果表明，用线性切片法预估的有无舭龙骨船体的横摇运动，即使通过实验获得精确的横摇阻尼，在高波下也估计得过高。这说明，由于高频高波造成的高速漂移运动导致了横摇阻尼的增加和作用于船体上的波浪扰动力矩的减少，以及遭遇频率的变化，为精确估算高波横浪下的横摇运动，应求出波浪-频率-横摇运动和稳定漂移运动耦合方程。     

系泊船舶运动响应周期试验研究

针对国内外系泊船舶物理模型试验中所给系泊船舶运动响应周期特征参数的不同,对横向波浪作用下一艘26.6×104 m3系泊LNG船舶的运动响应周期特性进行物理模型试验研究。结果表明,半载状态下,纵移运动存在着32 s的自振周期;横移运动为周期性间歇增长运动,横移运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.11～1.23,大体上随波浪周期增大成倍数增长;横摇运动峰值随波浪周期增大而增大,横摇运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48,大体上随波浪周期增大成倍数增长;不同装载状态下回转运动均存在着较长的自振周期:半载状态为30 s,满载状态为32 s。     

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。     

胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点.基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型.通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据.该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能.     

破损进水舰船非线性横摇运动的实验研究

通过设计破损舰船非线性横摇运动实验,对不同状态下的船模进行定频率变波高和定波高变频率的横摇激振试验,探讨舰船横摇运动的水动力特性随横摇频率和横摇幅角变化规律,分析Ⅱ类和Ⅲ类进水舱对破损舰船横摇运动的水动力特性的影响。运用混沌信号识别技术分析破损舰船进水后横摇运动的混沌特性,验证数值仿真的结果,预报破损舰船在规则波中的横摇运动的幅频响应和相频响应。     

38m汽车渡船全回转推进装置的改造

采用双向四桨、双舵常规推进的38m汽车渡船改造为采用全回转推进装置的新型38m汽车渡船,可原地回转和横移,使操纵性能有一个质的提高。无水下附体阻力,使航速提高25%～35%,节能效果显著并且提高了船舶的利用率。     

船舶大气激光通信用模拟平台研究与实验

根据船舶运动方程,采用线性系统理论分析船舶在波浪中的摇荡运动规律.通过使用水平移动台、垂直升降台、旋转台和摆动台组成的运动平台来模拟船舶在波浪中运动时通讯机的运动,并以横摇运动为例给出它的一个运动实现,为在实验室条件下研究船舶大气激光通信提供实验平台.     

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。