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水下滑翔机仿生尾鳍设计及其运动性能研究
| 论文题名： | 水下滑翔机仿生尾鳍设计及其运动性能研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;仿生尾鳍设计;自主推进模型;运动性能 |
| 摘要： | 水下滑翔机 (Autonomous Underwater Glider，AUG) 是一种通过改变自身净浮力实现滑翔推进的新型水下无人自主潜航器，因其具备长时序、大范围的海洋环境观测能力逐渐成为人类探索海洋的重要平台之一。目前，传统的水下滑翔机运动形式较为单一，抗扰动性能较差；而采用螺旋桨辅助推进的混合动力水下滑翔机，存在噪声大、隐蔽性弱等问题。本文借鉴鲔科鱼类游动模式效率高、推进力大的特点，引入仿生学理念进行了水下滑翔机仿生尾鳍尾部推进装置的设计，为水下滑翔机的推进方式提供了新的设计思路，本文的主要研究工作与成果如下： （1）针对水下滑翔机混合驱动需求进行了尾部推进机构设计及其运动学建模。根据水下滑翔机尾部推进装置大变形、大推力的结构设计需求，分析了鲔科鱼类的外形特点及其游动模式的运动特性，基于其生物学参数，设计了尾部推进装置的整体结构；建立了尾部推进装置主动运动单元和被动运动单元运动学模型，为后续深入研究奠定了理论基础。 （2）根据尾部推进装置的运动学模型进行了仿生尾鳍驱动水下滑翔机的水动力性能仿真模拟。基于嵌套网格技术和用户自定义函数 (User defined function， UDF) 进行了尾部推进装置的运动约束，建立了其自主推进数值计算模型；同时，根据仿真结果进行后处理分析，揭示了由尾部运动产生的水动力变化趋势及流场特性。 （3）针对仿生水下滑翔机尾部运动引起的水动力进行了理论计算。基于水下滑翔机的动力学模型，对直航运动和回转运动下的性能参数进行了仿真模拟计算，得到了推进速度、航向角和回转周期等关键性能参数，并进一步分析了尾部摆动的推进效率，其最大推进效率可达约54%。 （4）完成了尾部推进装置的水池实验及仿生AUG样机运动性能实验。搭建了仿生尾鳍推进装置实验平台，在水池中完成了其水动力性能测试。同时，在水池中进行了仿生AUG样机运动性能测试，结果表明，样机能够实现直航与回转运动，其平均推进速度可达0.67 m/s，相比较传统混合驱动水下滑翔机航行速度（0.5 m/s），提升约34%；回转周期约为64 s，具有更强的机动性能。 |
| 作者： | 马文达 |
| 专业： | 海洋智能装备 |
| 导师： | 杨绍琼;任翀 |
| 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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