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原文传递仿海豹推进装置设计及其推进性能研究

论文题名：	仿海豹推进装置设计及其推进性能研究
关键词：	水下航行器;仿海豹推进装置;结构设计;运动学分析;推进性能
摘要：	多样化的海洋探测任务以及复杂多变的工作环境对无人水下航行器推进系统性能提出了更多、更高要求。仿生推进由于具有速度快、效率高、机动性好和低噪声污染等优势，也因此成为研究热点。海豹独特的双尾鳍结构使其拥有良好的推进性能和操控性，然而，现阶段仿生海豹推进技术的研究仍未起步，相关研究也仅限于海豹生物原型的观察与测试。因此，基于海豹运动模式开展仿生推进装置研究，对于探索新型水下驱动方式具有重要的研究意义，同时，为无人水下航行器探索新的高效推进技术具有重要的实用价值。　　本文首先对海豹的形态学和运动特征进行研究，获取了生物原型（环海豹）的体态特征及骨骼与肢体参数，探究了环海豹尾部的运动特征与推进机理。基于此，提出并设计了一款基于柔性双关节串并联机构的仿海豹推进装置。该推进装置由仿生骨盆单元、仿生胫骨单元和仿生尾鳍单元组成，通过3个电机分别对其进行控制。仿生骨盆单元为第一个运动关节，仿生胫骨和仿生尾鳍单元组成第二个运动关节。仿海豹推进装置外层为柔性蒙皮，以维持与环海豹相似的水动力外形。　　基于设计的仿海豹推进装置，采用分段常曲率模型和牛顿辛普森公式，对仿生骨盆单元和仿生胫骨单元进行了运动学分析，获得了极限运动状态下骨盆单元和胫骨单元的运动轨迹和自身姿态参数；通过对仿生尾鳍单元的运动学分析，获得了尾鳍在张开和闭合两种形态下的尾鳍面积，为仿生推进装置推进性能分析提供了基础数据。基于D-H参数法建立了仿生推进装置的运动学模型，通过对运动学模型求解，获得了仿海豹推进机构末端运动轨迹，并与仿生原型环海豹的运动学参数进行对比，验证了本文设计的仿生推进装置的可行性。　　基于计算流体动力学（CFD）仿真方法，对仿海豹推进装置的水动力进行了分析，并提出仿生尾鳍鳍面效率作为仿海豹推进装置推进性能的评判指标之一。分别探讨并分析了单关节运动与双关节运动下，推进装置的摆动频率、摆动幅值、骨盆运动关节和胫骨、尾鳍运动关节的相位差对推进装置推力及鳍面效率的影响规律。结果表明，推力随装置摆动频率和摆动幅值的增大而增大，在两个运动关节相位差为-45°时，推力峰值最大。摆动频率对鳍面效率没有明显影响，仿生骨盆运动关节的摆动幅值增大会增大鳍面效率，仿生胫骨、尾鳍运动关节的摆动幅值增大会降低鳍面效率，相位差为-90°时鳍面效率最大。　　最后，为验证仿海豹推进装置运动特征与推进性能分析结果，基于设计的仿海豹推进装置及环海豹外形特征，扩展设计了仿海豹水下机器人原理样机，并开展了水池试验，测试了推进装置在不同摆动频率、不同摆动幅值、不同相位差下的推力变化情况及仿生尾鳍运动轨迹，获得了与理论分析相同或相近的结果，验证了本文设计的仿海豹推进机构的可行性与运动学分析的准确性。通过对仿海豹水下机器人原理样机开展水下定深直航运动测试，基于记录的机器人原理样机运动加速度数据，获得了推进装置在不同摆动频率下机器人原理样机的运动速度，并进一步分析并获得了仿海豹推进装置的推进效率约为17.01%。
作者：	王智杰
专业：	机械工程
导师：	刘玉红
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022