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原文传递蓝鲨三维建模及其流固耦合受力特性研究

论文题名：	蓝鲨三维建模及其流固耦合受力特性研究
关键词：	蓝鲨;3D打印;流固耦合;受力变形函数;三维建模;水下航行器
摘要：	海洋中存在着洋流等多种能量形式，自主式水下航行器(AUV)已成为探索海洋资源的重要工具，但其能耗效率不高，水动力性能还处于较低水平。就整个海洋生物群体来说，鲨鱼与AUV处于相近的结构和尺寸范围内，且鲨鱼已经在地球上生存了上亿年，其具有游动姿态稳定、效率高、巡游距离长的特点，从雷诺数的角度具有较强的参考意义，因此研究鲨鱼的受力及高效运动机理对AUV的优化设计具有重要价值。　　本文主要研究内容和成果如下：　　（1）以蓝鲨鱼体为研究对象，根据对某蓝鲨标本形体的实际测量，采集了蓝鲨的头部、躯干、背鳍、胸鳍、腹鳍、上臀鳍、下臀鳍和尾鳍的特征数据，并对蓝鲨的形体特征进行精准三维建模。利用3D打印技术分部打印出蓝鲨的形体模型，并拼接成一个整体。为了减少蓝鲨实体模型和天然蓝鲨之间的平滑偏差，采用微校正的方式处理蓝鲨实体表面，且通过研磨的方式提高其表面光滑度。　　（2）对蓝鲨形体模型建立了较大的圆柱形流场，以避免流场边界对仿真结果造成干扰。根据蓝鲨鱼体的特征，选择了适宜曲面划分的非结构网格，并在兼顾计算成本与准确度的前提下，对鱼体各部分配以不同数量的网格，取得了质量较好的计算域网格模型。　　（3）基于蓝鲨形体模型在流场中进行有限元计算和分析，获得了蓝鲨头部和胸鳍的受力分布。将3D打印出的蓝鲨实体模型在水槽中进行多批次实验，通过误差分析，验证了数值计算结果的准确性。计算结果表明蓝鲨的头部和胸鳍对其所受阻力和升力有最重要的影响，通过分析不同规格蓝鲨在非定速水流冲击下所受阻力和升力的大小，拟合出了蓝鲨头部和胸鳍的受力变化规律，获得了一般意义下非定速流场中所受阻力和升力的二元三次函数模型，为AUV的结构优化设计等相关应用提供了良好的基础。　　（4）通过对蓝鲨胸鳍的数值化描述，建立精细的二维胸鳍模型，并在非定常流体中对其进行流固耦合仿真计算，获得了柔性胸鳍在非定常水流中卡门涡街的变化特征。进一步对比分析了不同形状的胸鳍模型在相同边界条件下的涡街特征，研究表明胸鳍的流线型有利于减缓水流冲击，提高蓝鲨在流场中的稳定性。　　（5）为了获得更为准确的计算结果，通过对蓝鲨形体的数值化描述，结合相关特征进行精细化建模，基于三维模型进行流固耦合的分析和计算，获得了柔性蓝鲨胸鳍在非定常水流中起到平衡和稳定作用的机理。并通过分析不同材料的蓝鲨胸鳍模型在非定常水流冲击下所受阻力的变化，验证了柔性材料的胸鳍可以提升蓝鲨模型的稳定性，并拟合出了蓝鲨胸鳍的受力收缩变形规律，获得了一般意义下非定常流场中受力变形的一元三次函数模型，为制备相关仿生材料和提升AUV的运动性能打下基础。　　（6）对 COMSOL仿真界面进行二次开发，创建了适用于蓝鲨胸鳍流固耦合研究的APP，提高了建模能力和后处理能力。本研究为COMSOL在实际工程中的应用提供了重要的参考价值。
作者：	刘习武
专业：	机械工程
导师：	胡庆松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海海洋大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文