隨著對(duì)水下機(jī)器人的研究和使用的不斷擴(kuò)大,對(duì)提高仿生機(jī)器魚(yú)的效率和性能的需求也在增加,以便其能適應(yīng)更長(zhǎng)時(shí)間、更復(fù)雜的任務(wù)。眾所周知,仿生機(jī)器魚(yú)動(dòng)態(tài)行為的精確仿真以及高性能運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確的載體與推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)模型,因此建立準(zhǔn)確的水動(dòng)力學(xué)模型,利用軟件對(duì)其游動(dòng)模態(tài)進(jìn)行仿真分析,研究機(jī)器魚(yú)的流體動(dòng)力學(xué)顯得尤其重要。本論文以仿箱鲀科機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象,利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD,Computational Fluid Dynamics）技術(shù),研究了不同運(yùn)動(dòng)條件對(duì)機(jī)器魚(yú)胸鰭和尾鰭協(xié)同推進(jìn)的水動(dòng)力學(xué)影響,主要工作和創(chuàng)新成果如下:（1）將整個(gè)機(jī)器魚(yú)放入流場(chǎng),兩側(cè)胸鰭和尾鰭以正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng),建立仿生機(jī)器魚(yú)滑移動(dòng)網(wǎng)格模型,使用CFD流體仿真分析軟件,對(duì)其直游時(shí)胸鰭推進(jìn)模式、尾鰭推進(jìn)模式、胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)模式的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比,得出不同模式下機(jī)器魚(yú)水動(dòng)力學(xué)的變化規(guī)律。從壓力變化云圖中,胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)生的壓力變化最為復(fù)雜;從速度渦量變化圖中,胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)生最為復(fù)雜的渦量變化,胸鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦會(huì)逐漸脫落向后移動(dòng),和尾鰭產(chǎn)生的渦互相作用,增加尾鰭的推力,從而證明胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)模式是一... 

【文章來(lái)源】：蘭州交通大學(xué)甘肅省

【文章頁(yè)數(shù)】：75 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

魚(yú)類推進(jìn)模式分類[25]

基于CFD的胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)仿生機(jī)器魚(yú)水動(dòng)力學(xué)特性分析-4-(ii)反向循環(huán)減弱渦(iii)反向卡門渦街圖1.2三種基本的相互作用模式[29]隨著對(duì)魚(yú)類游動(dòng)機(jī)理的研究的發(fā)展，后期的研究趨向于按照魚(yú)類游動(dòng)方式的分類來(lái)開(kāi)展。針對(duì)BCF模式推進(jìn)的魚(yú)類水動(dòng)力學(xué)研究，主要成果如下：1960年，Lighthill在魚(yú)類游動(dòng)機(jī)理的分析中引入了“細(xì)長(zhǎng)體理論”，該理論廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域，他根據(jù)該理論，建立了一個(gè)只考慮慣性力對(duì)魚(yú)類游動(dòng)影響的鲹科魚(yú)類推進(jìn)模式的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)將魚(yú)體設(shè)置為多個(gè)有限的小單元，分別研究每個(gè)單元的力學(xué)性能，最后通過(guò)沿魚(yú)體方向積分獲得運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)[31]。Wu在1961年提出的“二維波動(dòng)板理論”，將魚(yú)體假設(shè)為一個(gè)具有彈性無(wú)限長(zhǎng)二維薄板，薄板的運(yùn)動(dòng)行波與魚(yú)體運(yùn)動(dòng)的行波等效，該研究過(guò)程中考慮了慣性力和尾渦的影響[32]。1971年，吳耀祖在系統(tǒng)研究扁平月牙型尾鰭魚(yú)類的游動(dòng)機(jī)理時(shí)，提出了一個(gè)能夠應(yīng)用于該研究的“非定常二維波動(dòng)板理論”，該理論能夠更進(jìn)一步的分析魚(yú)類的游動(dòng)機(jī)理[33]。1970年Lighthill正式提出了“細(xì)長(zhǎng)體理論”，應(yīng)用該理論可計(jì)算尾鰭波動(dòng)下的推進(jìn)效率，能夠研究尾鰭動(dòng)力學(xué)，并且通過(guò)分析推進(jìn)效率與尾渦強(qiáng)度的關(guān)系，提出了一種通過(guò)增大尾鰭展弦比來(lái)增大運(yùn)動(dòng)速度和推進(jìn)效率的方法。根據(jù)該理論，尾渦強(qiáng)度越大，魚(yú)體動(dòng)能耗散越厲害，而在自然界中，新月型尾鰭的尾渦從鰭表面的后邊緣脫落，因此減少了魚(yú)體的耗散量，從而提升了魚(yú)體的游動(dòng)速度，這一

蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文-9-式中：散度積分根據(jù)格林公式化為面積積分，控制體的表面積為A。該方程的物理意義為：時(shí)間t內(nèi)和體積CV內(nèi)的變化+時(shí)間t內(nèi)流過(guò)控制體表面的對(duì)流量u=時(shí)間t內(nèi)通過(guò)控制體表面的擴(kuò)散量+時(shí)間t內(nèi)控制體CV內(nèi)源項(xiàng)的變化。2.2.2計(jì)算流體力學(xué)分析過(guò)程CFD的數(shù)值計(jì)算通常由前處理模塊、CFD計(jì)算模塊、后處理模塊三部分組成，如圖2.1所示。圖2.1計(jì)算流體分析的一般過(guò)程示意圖2.3仿生機(jī)器魚(yú)CFD建模調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)有的結(jié)果都只是利用CFD軟件,在流場(chǎng)中放入單一剛性胸鰭片或者沒(méi)有胸鰭，只有尾鰭推動(dòng)的魚(yú)體進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)[63]和文獻(xiàn)[42],而同時(shí)在流場(chǎng)中對(duì)魚(yú)體和胸鰭?cǎi)詈献饔玫姆治鲅芯繕O少，也就是說(shuō)，很少考慮機(jī)器魚(yú)外形因素等對(duì)流場(chǎng)的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，本章以實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)仿箱鲀科機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象，建立了由魚(yú)體、剛性胸鰭和尾鰭等三部分構(gòu)成的機(jī)器魚(yú)整體模型，分析兩者的耦合作用。其中，所建模型中單側(cè)胸鰭均具有兩個(gè)自由度，尾鰭具有一個(gè)自由度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]自然啟迪技術(shù)靈感,仿生提升機(jī)動(dòng)性能——解讀《高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)》[J]. 喻俊志,吳正興.  中國(guó)機(jī)械工程. 2019(04)
[2]智能無(wú)人水下航行器水下回收對(duì)接技術(shù)綜述[J]. 孫葉義,武皓微,李曄,姜言清,周子燁.  哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào). 2019(01)
[3]單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)式機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J]. 成玉強(qiáng),帥長(zhǎng)庚.  海洋技術(shù)學(xué)報(bào). 2018(06)
[4]水下軟體機(jī)器人柔性驅(qū)動(dòng)方式及其仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 傅珂杰,曹許諾,張楨,劉先衛(wèi),李國(guó)瑞,梁藝?guó)Q,李鐵風(fēng).  科技導(dǎo)報(bào). 2017(18)
[5]機(jī)器鱈魚(yú)胸鰭/尾鰭協(xié)同推進(jìn)直線游動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 李宗剛,徐衛(wèi)強(qiáng),王文博,杜亞江.  船舶力學(xué). 2017(05)
[6]一種2自由度胸鰭推進(jìn)仿生箱鲀機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)彎特性研究[J]. 李宗剛,馬偉俊,葛立明,杜亞江.  機(jī)器人. 2016(05)
[7]BCF仿生魚(yú)游動(dòng)機(jī)理的研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 崔祚,姜洪洲,何景峰,佟志忠.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2015(16)
[8]柔性機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 于靖軍,郝廣波,陳貴敏,畢樹(shù)生.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2015(13)
[9]胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生魚(yú)的設(shè)計(jì)及水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)[J]. 牛傳猛,畢樹(shù)生,蔡月日,張利格,馬宏偉.  機(jī)器人. 2014(05)
[10]中央鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式的仿生自主水下機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 王田苗,楊興幫,梁建宏.  機(jī)器人. 2013(03)

博士論文
[1]鮪科仿生原型自主游動(dòng)機(jī)理的研究[D]. 夏丹.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[2]仿生水下機(jī)器人仿真與控制技術(shù)研究[D]. 成巍.哈爾濱工程大學(xué) 2004

碩士論文
[1]粘性流場(chǎng)中魚(yú)類胸鰭的水動(dòng)力分析[D]. 王兆立.哈爾濱工程大學(xué) 2008
[2]仿生機(jī)器魚(yú)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 戴坡.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2006
[3]SPC-Ⅱ推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿魚(yú)推進(jìn)器研究[D]. 梁傳秋.哈爾濱工程大學(xué) 2004



本文編號(hào)：3564199