原文传递
仿海狮前鳍推进装置改进设计及推进性能研究
| 论文题名： | 仿海狮前鳍推进装置改进设计及推进性能研究 |
| 关键词： | 水下航行器;仿海狮前鳍推进装置;改进设计;推进性能 |
| 摘要： | 近年来针对海洋生物的仿生理论与推进技术研究成为研究热点，海狮是海洋中优秀的游泳者，也是海洋哺乳动物中唯一用前鳍推进的动物，其结合水翼法与划动法的独特三相推进方式具有极高的推进性能。探索以海狮前鳍为仿生目标的新型水下航行器驱动技术具有重要的研究意义与实用价值。 当前，海狮前鳍推进技术研究尚处于萌芽状态，亟需深入探索。为此，本文以加利福尼亚海狮为仿生原型，以中小型无人水下航行器应用为背景，通过深入研究海狮形态学与运动学，分析海狮外形减阻特性以及海狮前鳍的生理结构和运动特性，并探究海狮推进机理。以此为基础，对第一代仿海狮前鳍推进装置进行改进设计，提出并设计了摆盘机构与空间组合连杆机构串联组合的仿海狮前鳍推进机构，并按照海狮前鳍骨骼、关节、外形特征开发了一对具有与海狮前鳍相似柔性特征与力学性能相似的仿生柔性前鳍，安装至推进机构末端，得到了完整的仿海狮前鳍推进装置。 基于仿海狮前鳍推进装置，将前鳍视为刚性体，建立了运动学模型，获得了与海狮前鳍相似的运动轨迹与姿态，初步验证了设计的仿海狮前鳍推进装置的可行性。基于Solidworks软件中的Motion模块，分析了仿海狮前鳍推进装置的运动轨迹与姿态，验证了运动学分析的正确性。基于运动学分析结果，推导了前鳍周期性推力与升力的计算公式，得到了运动速度和前鳍拍频之间的函数关系与相应的变化规律，并计算得到了仿生前鳍鳍面效率以及推进效率。 为了验证仿海狮前鳍推进装置的理论分析结果，以仿海狮推进装置为基础，为其设计并加工了试验载体—仿海狮水下机器人原理样机，并在水池中开展了固定模型试验与运动模型试验。固定模型试验结果表明，柔性鳍相比刚性鳍具有更高的平均推力以及推进效率，在扑动开始时前鳍尖端被迫下移，并在后续运动中持续滞后于刚性前鳍，从而补偿了柔性前鳍远、近端的速度差，提升了推进的稳定性；同时，更大的拍动频率有助于提高推进力。通过运动模型试验分析了柔性前鳍相比刚性前鳍的推进优势，得到了不同拍频下模型样机的推进效率。结果表明，一定拍频范围内仿生柔性鳍推进效率随拍频增大而增大，且有着比刚性鳍更高的推进效率与更优异的推进性能，验证了海狮柔性前鳍推进技术的优势。 |
| 作者： | 李厚存 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘玉红;姜民 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
检索历史
应用推荐
