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原文传递主被动变形鱼鳍推进机理与实验研究

论文题名：	主被动变形鱼鳍推进机理与实验研究
关键词：	仿生鱼鳍;柔性推进;主动变面积鱼鳍;推进性能;仿鱼水下推进器
摘要：	随着世界经济与能源环境的变化，国家海洋安全所占的战略地位也越来越重要。一方面海洋蕴藏大量的资源，能够满足国家未来经济发展的需求;另一方面海洋也具有极其重要的军事地位，获取海洋的军事优势，有利于保障国家安全。当前对于海洋的探索主要依靠传统的螺旋桨推进方式，由于其推进效率低、隐身性能差、机动性能差等缺点，不再能满足人类对于海洋探索的急迫需求。人们的目光自然就转向了无论在形态上还是运动上都已经完美适应了海洋环境的鱼类，并根据鱼类游动机理研制了仿鱼水下推进器。仿鱼水下推进器由于其模仿鱼类推进方式，具有高效、高机动性以及高隐身性能等特点，其在资源探索、水下救灾等领域都有重要的应用前景，受到了国内外研究人员的广泛关注。　　本文以仿生学研究为起点，围绕鱼鳍高推进性能的关键问题，首先对锦鲤的胸鳍进行了运动学分析，然后系统的研究了鱼鳍刚度对其推进性能的影响，同时设计和研制了主动变面积与主动变形仿生鱼鳍，对其进行了实验研究，并探索高推进力与推进效率的获取，为未来主动变形柔性水下推进器的研制奠定了基础。主要研究内容和成果如下: 　　(1)以锦鲤为研究对象，采用高速摄像系统对其不同游动姿态下的胸鳍形态进行了观察和拍摄。然后利用数字图像处理方法，对鳍面上的标记点进行识别和提取，进而对胸鳍的鳍面特征进行了分析，计算了各个鳍条在鳍面和垂直于鳍面方向的运动。同时计算了胸鳍在运动周期内的面积变化，并利用奇异值分解方法，对胸鳍的复杂三维运动进行了降维与分解，得出了其运动的四种基本模式:扩张、弯曲、卷曲和波动。通过这些基本姿态的不同权重叠加，就可以实现鱼鳍任意运动姿态，这为研究活鱼复杂运动姿态的水动力提供了方法，也为后续仿生鳍的研制以及控制提供了的知识储备与基础。　　(2)采用流固耦合数值计算方法，系统的研究了柔性鱼鳍的推进性能，并探讨了鱼鳍的被动变形以及水动力学参数。首先对单关节鱼鳍进行了简化与建模，分析和比较了刚性、柔性以及刚度非均匀分布柔性鱼鳍的流场结构与水动力，发现柔性鱼鳍结构具有延迟驱动响应的效应，并且其流场结构与刚性鱼鳍有显著不同。在三种鱼鳍模型中，刚度变化的柔性鱼鳍有最好的推进性能。然后进一步系统的研究了鱼鳍本构刚度特征-杨氏模量、形态刚度特征-惯性矩以及综合刚度特征-抗弯刚度对鱼鳍推进性能的影响，结果发现刚度对于推进力的影响不是单调增减的，而是在特定的运动学参数下，存在最优刚度，能够获取最大推进力。我们也建立双关节的鱼鳍模型，对两个关节以及铰接处的刚度进行了组合分析，对比了不同运动学参数下不同刚度组合的压力分布云图、结构变形以及水动力。研究发现，当运动频率比较低时，刚性首节-刚性尾节鱼鳍的推进力比较大，而当运动频率升高时，刚性首节-柔性尾节鱼鳍的推进力增加明显，并且取得最大值。同时，铰接刚度与鱼鳍刚度也有较强的耦合作用，在大铰接刚度时，刚性首节-柔性尾节鱼鳍组合具有较好的推进性能，而当铰接刚度变小时，中等柔性首节-中等柔性尾节鱼鳍组合表现最为优异。　　(3)基于胸鳍仿生学研究，我们发现胸鳍在运动过程中，展现出了复杂的三维运动，鳍面形态特征变化显著，因此我们提出了水下主动变形推进的概念，并对其进行了阐述与分类。并且我们以鱼鳍面积的瞬时变化为切入点，设计了两种主动变面积鱼鳍模型，提出了四种变面积控制策略，并搭建了实验平台，进行了水动力与效率的测量与计算。第一种是半主动变面积鱼鳍，其面积变化大小由水动力驱动。实验结果发现向外冲程大面积鱼鳍能产生更大的推进力。第二种是完全主动变面积鱼鳍，鱼鳍面积变化大小与快慢实现完全人为控制。我们详细比较了四种变面积控制策略的推进力和效率，并重点分析了向内冲程大面积以及向外冲程大面积两种控制模式下不同的变面积参数如面积变化率与面积变化时间的推进性能，同时也研究了其与不同运动学参数的耦合作用。研究结果表明，向内冲程大面积控制策略鱼鳍模型在一定的运动参数下能取得较高的推进效率和推进力，为变形鱼鳍推进机构设计提供了思路启发。同时从实验结果可以看出变面积鱼鳍性能与其面积变化率、面积变化时间等形态学参数和拍动周期、摆幅等运动学参数耦合作用明显，必须综合考虑变面积控制策略、面积变化形态参数以及运动学参数，才能获取较好的推进性能。　　(4)基于同时获取高速、高效、高机动性能水下推进器的目的，将水下主动变形推进概念应用于尾鳍设计，研制了可实现稳态形态变化的尾鳍，其能实现从新月形尾鳍到扇形尾鳍的无级切换，我们主要研究了三种形态:新月形、梯形和扇形，以模仿高速游动的金枪鱼，高加速性能的梭子鱼和高机动性能的蝴蝶鱼的尾鳍形态。通过鱼鳍的变形，使其能够在不同游动条件或者工况下，都能切换为最优性能的鱼鳍，实现全程或者全任务响应最优的目的。同时，我们搭建了实验平台，对其在不同运动学参数下的推进性能进行了分析和比较。
作者：	刘波
专业：	精密仪器及机械
导师：	杨杰;张世武
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文