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基于压电射流的水下可重构驱动单元设计及实验研究
| 论文题名： | 基于压电射流的水下可重构驱动单元设计及实验研究 |
| 关键词： | 水下驱动单元;压电射流;可重构;抗高压;水下航行器 |
| 摘要： | 随着地球人口的膨胀，陆地空间和陆地资源的匮乏，海洋空间探索和海洋资源的开发越显重要。水下航行器是探索深海环境和进行水下作业的重要工具，而要进行深海探测首先需要航行器具有抗高压的能力。本文基于压电射流原理设计了一种具备抗高压性能的驱动单元，其可通过重构来组合成不同形状，并完成多种功能，可满足不同水下作业的需求。 首先讨论了传统推进模式的水下航行器，并对其缺点进行了分析。简单介绍了水下生物的不同游动模式，其中射流驱动具有诸多优点，对基于射流驱动的水下航行器的国内外研究现状做了研究和分析。明确了本课题的研究方向和目的，并对课题的主要研究内容进行了详细的介绍。 分析了压电射流的激励源压电振子的模态及等效电路。基于压电射流原理初步设计了驱动单元的结构，简要分析了压电射流驱动的机理。利用ANSYS软件对驱动单元的工作过程进行了双向流固耦合仿真分析，并提取驱动单元的驱动力。基于仿真结果，采用正交实验优化了驱动单元的主要参数，并对正交实验优化结果进行了验证，确定了最优的结构参数组合，提高了驱动单元输出的驱动力。 对驱动单元的驱动性能和抗高压性能进行了实验研究。首先通过仿真与实验相结合的方法确定了驱动单元在空气中和水中的最佳工作频率范围。开展了驱动单元驱动力的实验研究，通过实验测得了驱动单元的驱动力，并与仿真提取的驱动力进行对比，分析了两者之间产生差异的原因。开展了不同激励信号对驱动单元驱动力、运动速度、消耗功率及能量转换效率影响的实验研究。通过高压实验，验证了驱动单元的抗高压性能。 为实现功能的多样化，对驱动单元的结构进行了改进，使其可与其它驱动单元重构组合成多种形态。提出了两种驱动单元的重构形式，分别为三模块重构和六模块重构。对两种重构在不同形态下所能实现的运动形式进行了分析和实验验证，并开展了激励信号电压幅值和频率大小对两种重构不同形态下运动性能的影响。通过实验验证了两种重构形式具备的功能。 |
| 作者： | 杨乐 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘军考 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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