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基于张拉整体结构的水下滑翔机仿生机翼研究
| 论文题名： | 基于张拉整体结构的水下滑翔机仿生机翼研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;张拉整体结构;仿生鳍条;动力学建模 |
| 摘要： | 水下滑翔机作为一种新型的无人水下自主航行器，因其低功耗、长航程等优点被广泛应用于海洋环境观测等领域。然而，传统的水下滑翔机依靠浮力推进，利用刚性固定平板机翼滑翔，抗流能力较弱，运动方式单一；混合推进水下滑翔机又因引入螺旋桨出现噪声大、隐蔽性弱等问题。本文借鉴牛鼻蝠鲼胸鳍大变形、大推进力的运动特点，将传统水下滑翔机的刚性固定平板机翼融入仿生学理念，采用张拉整体结构(Tensegrity)作为基本骨架，使得机翼具备适应性变形的能力，以产生较大的推进力，为水下滑翔机的推进方式提供了一种新的设计思路。本文的主要研究工作与成果如下： 首先，针对水下滑翔机对大变形、大推力仿生机翼的需求，分析了蝠鲼胸鳍的内部结构及其运动特点，借鉴蝠鲼胸鳍的生物学参数设计了基于张拉整体结构的仿生鳍条(简称Tensegrity仿生鳍条)；开展了动力学建模，并分别从静力平衡条件下和外部激励作用下两个方面分析了仿生鳍条的运动规律以及弹性绳的张力变化规律，验证了张拉整体结构作为仿生鳍条结构基础的可行性。此外，建立了仿生鳍条的模态频率和弹性绳刚度的函数关系，合理选择弹性绳的刚度使得仿生鳍条的模态频率与水动力共振频率一致，进而实现共振节能。 其次，采用“杆柱法”连接的双层张拉整体结构作为仿生鳍条的基本骨架，利用远程多线(Multiplecable-routedactuation，MC)的布线方式驱动仿生鳍条，使得每个结构单元可以实现较大的变形；基于前期分析确定的结构参数，完成了Tensegrity仿生鳍条节点、滑轮等关键部件的机械结构设计；同时，设计了仿生鳍条的运动控制方案，完成了舵机等关键器件的选型；以质量轻、控制简单、变形大为总体设计目标，完成了仿生鳍条的三维模型设计。 最后，在空气中利用舵机驱动完成了每根鳍条的摆动测试，针对实验中结构出现的轻微抖动、摆动幅度小、左右摆动不对称等问题，进行了仿生鳍条的减重设计以及布线方式的改进，每根鳍条都可以实现大变形；在此基础上，设计并搭建了仿生机翼推进性能实验平台，并分析了空气中仿生机翼的摆动性能。实验结果表明，该仿生机翼具有良好的运动性能。 |
| 作者： | 闫彩清 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王延辉;谭华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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