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SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究
| 论文题名： | SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究 |
| 关键词： | 仿乌贼喷射推进器;活塞喷射模型;SMA丝;电动机驱动 |
| 摘要： | 随着海洋资源开发的深入和仿生学的进步，仿生水下机器人越来越受到科研工作者的关注。由于鱼类游动效率高，机动性好，国内外研制了多种模仿鱼类游动的机器鱼。然而大多数机器鱼采用身体/尾鳍摆动游动模式，利用电动机驱动的刚性关节来模拟鱼类柔性的动作，结构复杂且噪音较大，与鱼类的游动能力尚有较大差距。乌贼是一种具有高超游动能力的海洋动物，它能够通过高推进力的喷射实现游动，其速度和灵活性足以与鱼类媲美。本文对乌贼的喷射游动进行研究，提出并实现仿乌贼脉冲喷射推进器原型。 首先，分析了乌贼喷射游动的机理，乌贼外套膜肌肉组织。研究了喷射游动规律以及喷射过程中外套膜肌肉的动作。乌贼喷射与火箭喷射原理相似，故采用火箭发动机推进效率来计算其流体推进效率。乌贼能够通过以较低的速度喷射较大质量的液体，获得较高的推进效率。在喷射过程中，外套膜中的环状肌占主导作用，外膜套的应变约为10％。外套膜收缩时，弹性能存储，外套膜充水时，弹性能释放，从而提高能量利用率。 其次，为探索乌贼喷射后的射流周围的流场，辅助仿乌贼喷射推进器设计，采用计算流体力学中的动网格技术，对活塞喷射模型和仿乌贼外套膜喷射模型进行了研究。活塞喷射模型检验了利用FLUENT软件模拟喷射流场的可行性。探究不同外套膜收缩速度和喷嘴直径喷射平均推进力的变化。 最后，设计并实现了仿乌贼喷射推进器原型。该原型为准柔性，由仿乌贼外套膜的外套膜段和仿乌贼漏斗的漏斗段组成，采用SMA丝作为致动器。对外套膜段的结构进行了详细讨论和试验研究，为增大应变，SMA丝采用“V”字形布丝法。对无进水膜推进器原型进行了喷射试验，实现了推进功能，通电后0.8-1.4s内推进器平均速度达到58mm/s，外套膜段最大应变达到8.77%。对有进水膜的漏斗段进行了进水膜动作试验，进水膜可以实现快速大幅度动作并迅速恢复到初始状态，能够满足充水过程的动作需要。 仿乌贼喷射推进器原型无噪音，环保、结构简单、动作柔和，能够达到乌贼慢速游动时的应变，实现脉冲推进功能，为仿生乌贼水下机器人的进一步研制提供了有益参考。 |
| 作者： | 杜威 |
| 专业： | 机械制造及其自动化 |
| 导师： | 王振龙 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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