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扑翼滑翔水下航行器推进系统设计与动力学研究
| 论文题名： | 扑翼滑翔水下航行器推进系统设计与动力学研究 |
| 关键词： | 水下航行器;扑翼推进系统;流体动力特性;机构设计 |
| 摘要： | 目前，大部分水下航行器采用传统的螺旋桨推进方式，然而随着海洋开发利用的不断深入，海洋调查和海洋工程任务日趋复杂，多样化的任务需求对航行器的性能提出了更高的要求，仿生扑翼推进技术的研究是进一步提高水下航行器性能的一种有效途径。本文对典型的水下二自由度扑翼的流体动力特性进行了计算流体力学分析，在此基础上，对扑翼滑翔水下航行器及其扑翼推进系统进行了初步设计，并对该航行器进行了动力学建模以及仿真分析。本文的研究成果主要表现在如下几个方面: 1.通过扑翼流体动力仿真初步探究了扑翼周围流场结构的演变过程和流体动力特性。通过对不同频率的扑翼流体动力仿真可知，随着扑翼运动频率的增大，其产生的推力越大，但是效率会降低。同时，对非对称运动扑翼的仿真结果表明，二自由度扑翼的非对称运动可以使扑翼产生的平均升力不再为零，从而产生了可以用于对航行器操纵的矢量力。 2.提出了一种新型的基于两自由度球面机构的扑翼驱动装置，利用矢量闭环法和虚功原理建立了该机构的运动学和动力学数学模型。通过对该扑翼推进系统的运动学和动力学分析可知，该机构具有完全解耦的特性，这使机构分析和控制系统开发的难度降低，非常适合实际工程应用和驱动更加复杂的扑翼运动规律。同时，通过分析得到了驱动端转速的调节规律和驱动力的变化规律，从而为电机的选型和相应的细化设计提供依据。 3.对扑翼滑翔水下航行器的受力情况进行了分析，基于Newton-Euler法建立了扑翼滑翔航行器的空间六自由度动力学模型，利用MATLAB对浮力驱动下的滑翔模式和扑翼驱动下的定深航行模式进行了仿真。在扑翼频率为0.5Hz时，航行器的速度最终达到0.86～0.92m/s，获得了仿真工况下的平衡攻角、俯仰角、深度等变化情况，验证了方案的可行性，对扑翼滑翔水下航行器的初步设计具有参考价值。 |
| 作者： | 张江超 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张宏伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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