水下仿生柔性胸鳍摆动水动力特性试验研究

为了掌握仿生柔性胸鳍动态摆动过程真实的水动力特性,研制了仿生多鳍条的柔性胸鳍模型及驱动控制系统,首次采用拖曳水池测力试验的方法对仿生柔性胸鳍摆动过程受力进行了测试,获得了柔性胸鳍在不同运动参数的受力数据,掌握了频率、摆幅、相位差等对仿生胸鳍模型受力的影响规律.试验结果表明:胸鳍摆动频率越大、摆幅越大,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;胸鳍鳍条间的相位差越小,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;柔性胸鳍不规则形变导致推力峰值不对称.     

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。     

一种柔性胸鳍仿生鱼的初步设计和开发

设计开发一种以胸鳍作为动力推进系统的仿生机器鱼.该仿生鱼具有效率高、机动性好、噪音低,对环境扰动小的优点,并能利用柔性胸鳍摆动方式实现推进及水平面内的机动运动.所设计的仿生机器鱼具有一定的工程应用价值.     

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。     

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。     

尾鳍柔性变形对仿生机器鱼自主游动性能影响的研究

基于计算流体力学方法,数值模拟仿生机器鱼3自由度自主游动,比较刚性尾鳍和柔性变形尾鳍的推力、鱼体游动功率消耗和尾鳍前缘处的涡结构。计算结果表明,在相同运动参数下,柔性尾鳍能使机器鱼在加速阶段游得更快,而刚性尾鳍使机器鱼在巡游阶段游得更快;尾鳍柔性变形能降低巡游阶段机器鱼的侧向速度和首摇角速度的波动幅值,有利于航向稳定。游动速度对柔性尾鳍的推力有明显的负面影响,而对刚性尾鳍的推力影响不大。刚性尾鳍适用于机器鱼在较小的尾鳍侧向平移幅值下巡游,而柔性尾鳍适用于机器鱼在较大的侧向平移幅值下巡游。尾鳍的柔性变形会延迟前缘涡的产生和脱落,导致尾鳍在一个游动周期中的某个时间段形成阻力,不利于机器鱼高速巡游。     

多仿生机器鱼群体定位控制

研制了一种多微小型仿生机器鱼实验平台，对微小型机器鱼的游动速度、最小转弯半径和急转角度等机动性能进行了测试。在此基础上，进行了机器鱼水中定位控制的研究。由于水面波动和多机器鱼之间的相互干扰，机器鱼在水中的游动是一种高度的非线性问题，难以进行精确定位控制。提出了一种机器鱼自学习的算法，通过建立机器鱼行为信息数据库，实现了机器鱼的精确定位控制。     

基于网格算法的多仿生机器鱼协调游动控制

在多仿生机器鱼实验平台上,针对多仿生机器鱼按次通过水中一个狭孔的问题,进行了多机器鱼协调控制的初步研究.基于对实验场景视频图像的处理和识别结果,提出了一种多机器鱼游动路径规划的网格算法,实现了多条机器鱼之间无碰撞、无路径干涉的快速游动规划.     

水下智能仿生机器鱼容错控制数学建模研究

传统水下智能仿生机器鱼控制模型存在容错率低的问题。为了更好解决该问题,进行水下智能仿生机器鱼容错控制数学建模研究。构建仿生机器鱼机械动力学模型,获取仿生机器鱼的自身参数、水下参数与容错参数,引入容错控制算法对仿生机器鱼进行误差量追踪补偿计算,构建水下智能仿生机器鱼容错控制数学模型。在实验中通过控制容错率测试,证明该模型具有较强的容错控制能力。     

基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。     

基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。     

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。     

一种新型水上减阻仿生技术研究

传统排水型两栖车辆航速在15km/h时出现"阻力墙"现象,致使水阻力急剧增大,限制航速进一步提升。文章从蛇怪蜥蜴高速踏水方式构思,基于固-液体高速作用动力学原理,提出了一种基于改变两栖车体航态的仿生减阻技术。其依靠仿生叶轮与水的高速作用产生向上托举力和向前推进力,将两栖车体托举出水面,进入高速滑行状态,从而避开"阻力墙"现象。仿真分析了刚性叶片夹角θ、入水深度h、转速ω等物理参数对水动力性能的影响,着重讨论了转速ω的影响,并给出了临界范围。结合先期原理试验,初步验证了此仿生技术能够实现两栖车体辆从排水状态进入高速滑行状态,从而避开"阻力墙"现象,达到减少水阻力的目的。     

基于RANS方程的对拍翼推进器推进性能分析

文章基于RANS方程,应用动网格技术,数值计算分析了一种基于地效应原理的对拍翼推进器的推进性能,探讨了来流速度,拍动频率、振幅对推进性能的影响。计算结果表明拍动频率越高、拍动振幅越大则推进器的推力越大,而推进效率则会随来流速度以及拍动振幅的增大而呈现先增大后减小的趋势;同时对比分析了双翼对拍与单翼拍动产生的推力和推进效率;这种推进器构造简单,仅通过简单的相对拍动就可产生垂直于机翼轴向的推力,通过机翼的旋转就可产生任意方向的推力,能够满足水下机器人做六自由度运动的推力需求。     

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.     

静水中扭波推进水动力的数值模拟

尼罗河魔鬼鱼（GNF)采用长背鳍扭波推进,具有较高的推进效率和机动性,而鱼体主体可以保持直线不变形。为适应扭波推进过程中鳍面的大摆角变形,文中采用动网格技术求解了静水中扭波推进非定常流场,鳍面最大计算摆角达到85°,并通过与水动力实验结果比较验证了数值计算方法的可靠性。文中还分析了鳍面压力分布随相位的变化及其与推力产生的关系,以及水动力随扭波频率的脉动规律。研究表明,推力系数不随扭波频率而变化,轴向、垂向力波动频率是扭波频率的2倍,而侧向力脉动频率与扭波频率一致。     

电机-智能材料复合型仿生鳍设计及分析

针对目前开发的仿生鱼鳍驱动方式及其功能单一等不足,提出一种电机-智能材料复合型仿生鳍。首先介绍仿生鳍机构原理及设计思路,对仿生鳍单元的运动关系进行建模;结合动力学仿真软件分析不同曲柄长度时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化情况;最后试验测试仿生鳍推进器的平均推进速度和平均推进力随鳍条运动频率的变化情况,并比较分析相同运动学参数下鳍条摆幅从根部至端部逐渐增大运动模式和鳍条摆幅从根部至端部等幅运动模式推进性能的差异。该研究充分利用机电系统响应速度快和驱动力大的优势,结合智能材料形状记忆合金功重比高和柔性驱动等优点,使仿生鳍不仅实现了两种驱动方式上的融合,而且通过仿生鳍的多种运动方式(波动、摆动以及复杂三维柔性运动),满足了巡游、转弯以及稳定性调节等多种需求。     

波浪动力船水翼的推进性能分析

[目的]为研究水翼的水动力性能对波浪动力船推进性能的影响,对波浪动力船做垂荡及纵摇运动时引起的水翼绕船体中心转动,以及绕其自身转动中心的被动转动进行模拟。[方法]将波浪动力船的多体动力学方程编写到流体分析软件中进行计算分析。通过软件获取推进力及转矩来求解多体动力学方程,分析静水下波浪动力船在不同波浪振幅与周期、不同扭簧恢复刚度下的推力大小。[结果]结果表明:随着振幅的增加,前、后水翼上的推力均逐渐增大;随着周期的减小,水翼上的推力逐渐增大;随着扭簧恢复刚度的增大,水翼上的推力先增大后减小;随着前水翼尾迹的变化,后水翼推力逐渐小于前水翼上的推力。[结论]研究成果可为波浪动力船的研究设计提供参考。     

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。     

仿生型操舵倒航机构倒航性能试验及数值研究

为研究喷水推进操舵倒航机构的倒航性能,以仿生型操舵倒航机构为研究对象,基于带自由液面的力特性循环水槽及操纵力试验台架,对操舵倒航机构在不同流量条件下进行水动力试验,采用六分量仪测量操舵倒航机构受到的力。基于CFD技术,采用RANS方法和VOF算法对该机构进行水动力仿真计算,得到作用于操舵倒航机构上的力及流场特性,并将该计算与试验结果进行比较。结果表明,计算与试验值存在一定偏差,但在工程可接受范围内,说明所采用的计算方法可以用来预测仿生型操舵倒航机构在倒航工况下的水动力特性。