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水下滑翔机滑扑结合软体机翼设计及性能研究
| 论文题名： | 水下滑翔机滑扑结合软体机翼设计及性能研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;软体机翼设计;滑扑结合;瞬态流场仿真 |
| 摘要： | 水下滑翔机依靠作用在其机翼上的水动力分量完成上浮、下潜、转向等一系列基本动作，低能耗是水下滑翔机的主要特点之一。扑翼推进是一种模仿海龟、座头鲸等水下生物扑动前肢，从而产生前进推力的仿生驱动方法，具有较高的机动性和推进效率。滑扑结合式的水下滑翔机同时具备低功耗的滑翔模式和高机动的扑翼模式，更能适应多元化的任务需求和复杂多变的海洋环境，在海洋军事、水下搜救等方面潜在着巨大的应用前景。本文提出一种同时适用于滑翔模式和扑翼模式的水下滑翔机软体机翼设计方案，分别针对软体机翼的滑翔和扑翼运动模式进行了水动力模拟研究并完成了水池实验。主要研究内容和成果如下： 首先，聚焦于软体机翼滑翔工作模式，完成了带有软体机翼被动变形的水下滑翔机滑翔运动水动力仿真。从滑翔经济性、稳定性和成本等角度出发，分别讨论了不同软体机翼横截面形状、机翼上偏角、机翼外轮廓对其滑翔水动力性能的影响。将仿真结果与刚性平板机翼滑翔水动力性能进行对比，阐述了软体机翼的特点、优势及其适用范围。 基于上述仿真分析结果和部分水下生物扑翼运动特点，提出了一种软体可扑动机翼设计方案，近似搭建了扑翼运动数学模型，形成了滑扑结合水下滑翔机整体布局。将本文软体可扑动机翼与刚性平板机翼，以及其他常见多关节柔性扑翼结构综合对比，在高机动性、高稳定性、低能耗等方面阐述了本文结构设计的创新点与优越性。 其次，聚焦于软体机翼扑翼工作模式，完成了水下扑翼运动瞬态流场仿真。阐述了后缘涡与扑翼推进力之间的对应关系，总结了不同工况和扑动参数对扑翼运动性能的影响规律，得到了扑翼模式下水下滑翔机的水动力系数与运动学参数随时间变化关系。仿真结果表明：在给定参数范围内，求解获得的本文软体扑翼最大推进效率约为52.3%，水下滑翔机扑翼直线推进速度约为0.6 m/s。 最后，完成了扑翼原理样机推进力测试和水下滑翔机扑翼运动水池试验。实验测量了不同扑翼参数对推进力的影响，进一步验证了仿真分析的准确性。实验还测得：在给定参数下，水下滑翔机扑翼直线推进速度约为0.528 m/s，整周转弯时间约为55 s，具备较强机动性。 |
| 作者： | 吕鹏 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 李清;张立杰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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