鲔科仿生原型自主游动机理的研究

1、鲔科仿生原型自主游动机理的研究仿生机器学作为机械学科的新生长点, 在我国的国家安全、海洋开发、水下探测等领域有着重大需求。近十余年来, 模仿不同仿生原型的仿鱼机器人样机相继在国内外面世 , 这些样机的研制成功将给未来的水下推进技术带来巨大的变革。仿生机器学的迅速崛起亟需仿生力学的理论加以支撑, 目前仿生推进机理的研究与原理样机的研制已经到了同步进行的时刻, 在机理方面任何一点新的突破,都将给原理样机的研制带来新的启示。为了探索仿生推进机理, 国内外学者动用了许多理论分析方法和实验测试手段, 力图揭示出问题的本质所在, 但遗憾的是 ,无论是基于原理样机的实验结果, 还是基于现有运动学的数值模拟结

2、果, 都远没有获得在推进性能上可以与生物原型相比拟的预期效果。因此 , 本文从揭示仿生推进机理的源头出发, 对仿鱼机器人动力学、 仿生原型自主游动的数值方法以及仿生原型快速、高效自主游动机理等问题进行研究。仿鱼机器人动力学是开发新型原理样机的基础, 针对目前未能很好解决的动力学建模问题 , 提出了一种仿鱼机器人波状游动的动力学模型。首先 , 以鲔科仿生原型为研究对象, 对其形态学和运动学特征进行描述, 并以此为基础 , 将仿鱼机器人离散成多个环节, 采用 Kane 方法建立了波状游动的动力学模型 , 并借助计算实例验证了模型的正确性。其次 , 以动力学模型为依据研制了两关节原理样机 , 对其推

3、进性能进行了水下实验, 然而实验结果并不理想 , 据此总结了样机推进性能不甚理想的主要原因是仿生推进机理还未完全揭示清楚。以揭示仿生推进机理为目的, 对仿生原型的自主游动进行研究, 提出了一种求解仿生原型自主游动问题的数值方法。首先, 将自主游动问题划分为流体域、鱼体域和动网格域 , 分别建立各个子域的控制方程。其次 , 给定鱼体运动学为输入 , 将鱼体运动转移到流体单元上, 形成对周围流体的激励 , 通过求解流体域方程得到流体作用力, 并将该作用力传递于鱼体, 作为外力来驱动鱼体的刚性运动, 通过求解鱼体域方程得到游动性能, 从而实现鱼体和流体的交互过程。 最后 , 采用两个经典算例验证了数

4、值方法的正确性, 并将其应用到常规自主游动、 尾鳍展向柔性自主游动和加速- 滑行自主游动机理的研究中。采用提出的数值方法 , 对仿生原型的常规自主游动进行数值模拟, 求解鱼体自静止状态起动 , 经逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程, 揭示运动学和力能学参数的时间历程变化规律。分别探讨了身体运动行为的摆动频率和尾部最大摆幅 , 以及尾鳍运动行为的最大击水角度和平动摆动相位差对自主游动性能的影响规律。通过提取三维流场结构 , 从物理上揭示了仿生原型自主游动的力学机理, 据此判断不同运动规律的仿生原型自主游动性能的优劣。为了提高仿生原型自主游动的性能 , 研究了尾鳍展向柔性自主游动的机理。采用

5、提出的数值方法 , 求解具有展向柔性尾鳍仿生原型的自主游动性能, 并与常规的刚性尾鳍对比。对比结果表明, 采用展向柔性尾鳍较刚性尾鳍有着更为优越的性能 , 具体地 , 采用“弓形”尾鳍 , 在降低少许稳态游动速度和推进力的前提下 , 可以显著减小侧向力和功率消耗, 增加游动稳定性 ; 采用“瓢形”尾鳍 , 可以大大提高稳态游动速度和推进力, 进而提高推进效率 , 同时侧向力和功率消耗有小幅增加。因此 , 适当调整尾鳍的鳍面形状, 一方面可以产生更大的推进力和更高的推进效率 ; 另一方面 , 可以减小侧向力和功率消耗。加速- 滑行游动模式具有高效节能的特点 , 对其自主游动机理进行研究具有重要意义。采用提出的数值方法 , 通过改变摆尾次数和占空比求解了仿生原型加速- 滑行自主游动的运动学和力能学性能, 在加速 - 滑行自主游动中 , 选择少的摆尾次数和小的占空比有益于降低功率消耗, 提高速度功率比 , 进而在获得相同稳态游动速度时消耗最少的功率。 在此基础上 , 将加速 - 滑行游动模式与常规自主游动模式进行对比 , 两种游动模式在运动学