仿生烏賊推進(jìn)器及其流體動(dòng)力仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、水下生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，具備了高超的游泳技巧及游動(dòng)效率，烏賊便是其中的運(yùn)動(dòng)佼佼者。隨著機(jī)械、材料、控制理論等學(xué)科的發(fā)展，模仿烏賊等水中生物游動(dòng)研制仿生水下機(jī)器人成為可能。本文即以烏賊為主要研究對象，探討其生物形態(tài)、生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征，并在此基礎(chǔ)上研制形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)絲驅(qū)動(dòng)的仿生烏賊推進(jìn)器，通過測試實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)仿

2、真等手段對其流體動(dòng)力進(jìn)行研究分析。一方面有助于理解烏賊的游動(dòng)機(jī)理，另一方面為仿生烏賊機(jī)器人的研究提供部件和理論基礎(chǔ)。
　　渦環(huán)是一種常見的流體現(xiàn)象，在水下生物推進(jìn)中起著重要的能量傳輸作用，本文分析了水下生物多種推進(jìn)模式中的渦環(huán)形成機(jī)制及其對游動(dòng)效率的影響。烏賊是采用水平鰭和噴水復(fù)合推進(jìn)的水中生物，能根據(jù)不同的條件采取不同的游動(dòng)模式，具有強(qiáng)大的渦環(huán)產(chǎn)生和控制能力，集快速性、機(jī)動(dòng)性、有效性于一身。烏賊的流線型身體是其能夠?qū)崿F(xiàn)高速推進(jìn)的

3、重要原因，根據(jù)所解剖烏賊的身體參數(shù)，建立了烏賊的三維模型。分析了烏賊的游動(dòng)策略，并用基本的流體力學(xué)理論對其受力情況進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)彎控制是衡量運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)性的重要指標(biāo)，烏賊能采取多種轉(zhuǎn)彎模式，著重對其基于阻力的柔性轉(zhuǎn)彎控制面進(jìn)行了分析，相比剛性舵有著更好的流體控制能力。
　　形狀記憶合金絲作為一種新型驅(qū)動(dòng)材料開始得到廣泛應(yīng)用，為了驗(yàn)證SMA絲作為驅(qū)動(dòng)材料模擬烏賊或魚類肌肉的可行性，在所搭建的SMA絲測試平臺上對其性能進(jìn)行了初步測試，其應(yīng)變

4、(接近4％)和應(yīng)力(800 Mpa)都足以滿足設(shè)計(jì)需求。大幅度的柔性彎曲是烏賊腕、鰭和魚鰭的基本動(dòng)作，基于其肌肉動(dòng)作原理，分別研制了SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿生尾鰭推進(jìn)器和仿生三角鰭推進(jìn)器。對這兩種推進(jìn)器進(jìn)行的開環(huán)控制動(dòng)作實(shí)驗(yàn)表明：柔性化程度高，擺動(dòng)幅度大，動(dòng)作流暢，仿生效果好，無噪聲。在所研制的測試平臺上對其動(dòng)作中的非定常推進(jìn)力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，其中，仿生尾鰭推進(jìn)器的最大瞬時(shí)推進(jìn)力可達(dá)15.8 mN，仿生三角鰭推進(jìn)器的最大瞬時(shí)推進(jìn)力可達(dá)102.5

5、 mN。得出了非定常推進(jìn)力隨著彎曲動(dòng)作的變化規(guī)律，并探討了擺動(dòng)角度，擺動(dòng)頻率以及形狀尺寸對推進(jìn)力的影響。
　　同實(shí)驗(yàn)測試一樣，CFD仿真也是研究生物游動(dòng)機(jī)理的有效手段。首先利用CFD仿真建立靜態(tài)模型分別對烏賊的身體形態(tài)及其柔性轉(zhuǎn)彎控制面進(jìn)行了分析；其次基于所拍攝的仿生尾鰭推進(jìn)器和仿生三角鰭推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立了近似運(yùn)動(dòng)模型，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分別對其柔性動(dòng)作過程進(jìn)行二維和三維仿真。仿真中得出了其動(dòng)作過程中非定常力的變化情況，并探討了擺

6、動(dòng)角度和擺動(dòng)頻率對推進(jìn)力的影響，仿真結(jié)果與推進(jìn)力測試實(shí)驗(yàn)吻合良好。其中，在對仿生尾鰭推進(jìn)器擺動(dòng)的二維CFD仿真中，得出了與真實(shí)魚尾鰭擺動(dòng)后同樣的渦環(huán)現(xiàn)象，并對所產(chǎn)生渦環(huán)的渦動(dòng)力進(jìn)行了定量分析。斯特魯哈爾數(shù)(Strouhal number簡稱 St)是表征流體非定常效應(yīng)的重要參數(shù)，對魚類來說，0.2≤≤時(shí)可以St0.3實(shí)現(xiàn)最優(yōu)推進(jìn)，仿真中以背景流替代尾鰭的前進(jìn)速度，模擬出了斯特魯哈爾數(shù)對渦流尾跡的影響，發(fā)現(xiàn)0.2≤≤時(shí)的尾鰭擺動(dòng)尾跡是一種

7、介于阻力尾跡和St0.3推進(jìn)渦環(huán)之間的中間狀態(tài)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬出的可視化流場，搭建了基于改性聚四氟乙烯微粉(PTFE)的液面流場顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)上對仿生尾鰭推進(jìn)器擺動(dòng)后的渦環(huán)形成過程進(jìn)行了可視化研究，研究表明該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確的反映流場狀態(tài)，為研究流場形態(tài)提供了實(shí)驗(yàn)平臺。
　　烏賊的快速推進(jìn)的動(dòng)力源泉還在于其強(qiáng)有力的噴水，為此研制了SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿生烏賊脈沖噴射推進(jìn)器并對其推進(jìn)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)探究了驅(qū)動(dòng)參數(shù)以及噴