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原文传递基于海洋牧场的小型潜水器驱动系统的设计

论文题名：	基于海洋牧场的小型潜水器驱动系统的设计
关键词：	海洋牧场;潜水器;驱动系统;柔性仿生;推进模式
摘要：	随着渔业资源开发成本的不断加大和海洋环境的不断恶化，海洋牧场已成为各国竞相开发的领域，它能够对渔业资源进行有效的增殖和保护与此同时，对其配套监测设备的发展要求越来越高，要求能够方便有效的监测和管理海洋牧场的设施。　　针对东极岛海洋牧场的复杂的海洋环境，传统的小型观测型潜水器已经无法适应，为了实现对其有效的观测，本文在利用记忆合金的记忆性能的同时结合结构上的创新来设计柔性仿生推进系统，为后续研究提供借鉴，起到抛砖引玉的效果。　　鱼类已经在地球上生活了五亿年之久，长期的自然进化使他们能够在游动中充分发挥自己的优势，游动灵活且速度快，这其中柔性鱼鳍的作用是功不可没的，已引起很多科学家的重视，进而产生了仿生推进器。　　本文首先对鱼类的游动方式进行了总结和研讨，通过两种方式优缺点的比较结合所设计潜水器特点，创新性的将鱼类中央鳍/对鳍（MPF）和身体/尾鳍（BCF）推进模式结合起来，以MPF为主要的推进模式，设计柔性波动胸鳍推进器，发挥其灵活，低速稳定性强等优点，在此基础上加入了BCF模式中的尾鳍结构，一方面可以辅助配合胸鳍实现大幅度转弯、增强低速游动时的稳定性等，另一方面可以作为较长距离巡游时的推进器实现高速推进。　　在驱动器的选择上，结合本文所需小型潜水器的性能特点，我们选择形状记忆合金作为仿生鳍的驱动源。首先对设计的波动鳍系统进行了整体的动力学仿真以确定其仿生鳍个数、仿生鳍整体形状等特征，从稳定性和减阻性入手，综合分析结果，选择了流水形胸鳍的中部四鳍配置方式，接着对重要部件——仿生鳍的单元结构进行了设计，其最大的特点就是要能够实现柔性的三自由度运动，最大程度的模仿鱼类鳍部的波动动作，首先利用香农定理结合波动的需要确定了仿生鳍鳍条根数并对仿生鳍条进行了结构设计，巧妙的利用SMA合金的形状回复效应，结合两个独立的驱动器的控制，实现了鳍条两个自由度的柔性运动，为了实现仿生鳍三个自由度的柔性运动，我们紧接着设计了能够进行一个自由度摆动的仿生鳍基座，在基座的带动结合鳍条的两个自由度运动，成功实现了仿生鳍的三自由度运动，在鳍条之间蒙上了一层高弹性、高伸缩率的硅胶薄膜，模仿鱼类“蹼”的作用，使得仿生鳍的摆动实现柔性的效果，同时根据所设计潜水器的尺寸参数确定了其电源和控制系统。　　在仿生波动鳍基本结构确定下来后，需要对仿生鳍进行性能分析和水动力学仿真，这就需要以仿生鳍的运动学和动力学模型作为基础，将两个独立驱动器分别单个启动、同时启动的三种鳍条运动模式建立了运动学模型，然后对双驱动器同时停止工作的模式进行了弹性薄膜约束力和流体阻力的动力学建模，通过建模一方面为将要进行的水动力学仿真和分析提供基础模型，另一方面可以直观的通过模型公式看出各个参数对仿生鳍推进性能的影响。　　仿生鳍波动方式的选择是至关重要的一个环节，利用FLUENT软件通过对两种常见的波动方式进行水压分布、速度分布的仿真和阻力系数的数值模拟，综合这些要素比较出两种波动方式的优劣之处，选择了最适合本文所设计潜水器性能的波动方式。　　尾鳍在所设计潜水器中一方面起到辅助胸鳍保持平衡的作用，另一方面可以作为潜水器在海洋牧场中进行较长距离游动的推进器，文章中对尾鳍进行了形状和机械驱动机构的设计，在形状的选择上，通过对三种不同形状尾鳍进行建模、水动力学仿真，对其阻力、推进稳定性等进行比较，选择了满足需求性能的月牙形尾鳍，在尾鳍的驱动机构设计中，分别设计了单自由度和二自由度的尾鳍机构，通过建模对各种参数的比较，选择了二自由度尾鳍机构，同时根据其性能选择了其制造材料和驱动电机，并对其整体空间立体摆动情况作了介绍。　　本文在需要工作在狭窄、复杂水下环境的超小型潜水器的设计领域做出了探讨，利用数学建模、流体动力学仿真等手段对设计做出了指导和优化，为进一步提高潜水器性能提供了方向和参考。
作者：	兰镇
专业：	机械工程
导师：	曹守启;姜少杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海海洋大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文