仿生烏賊推進器及其流體動力仿真和實驗研究.pdf

1、水下生物經(jīng)過億萬年的進化，具備了高超的游泳技巧及游動效率，烏賊便是其中的運動佼佼者。隨著機械、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研制仿生水下機器人成為可能。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)及運動特征，并在此基礎(chǔ)上研制形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)絲驅(qū)動的仿生烏賊推進器，通過測試實驗和計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)仿

2、真等手段對其流體動力進行研究分析。一方面有助于理解烏賊的游動機理，另一方面為仿生烏賊機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模式中的渦環(huán)形成機制及其對游動效率的影響。烏賊是采用水平鰭和噴水復(fù)合推進的水中生物，能根據(jù)不同的條件采取不同的游動模式，具有強大的渦環(huán)產(chǎn)生和控制能力，集快速性、機動性、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。分析了烏賊的游動策略，并用基本的流體力學(xué)理論對其受力情況進行分析。轉(zhuǎn)彎控制是衡量運動機動性的重要指標(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)動材料開始得到廣泛應(yīng)用，為了驗證SMA絲作為驅(qū)動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)計需求。大幅度的柔性彎曲是烏賊腕、鰭和魚鰭的基本動作，基于其肌肉動作原理，分別研制了SMA絲驅(qū)動的仿生尾鰭推進器和仿生三角鰭推進器。對這兩種推進器進行的開環(huán)控制動作實驗表明：柔性化程度高，擺動幅度大，動作流暢，仿生效果好，無噪聲。在所研制的測試平臺上對其動作中的非定常推進力進行了實驗測量，其中，仿生尾鰭推進器的最大瞬時推進力可達15.8 mN，仿生三角鰭推進器的最大瞬時推進力可達102.5

5、 mN。得出了非定常推進力隨著彎曲動作的變化規(guī)律，并探討了擺動角度，擺動頻率以及形狀尺寸對推進力的影響。
　　同實驗測試一樣，CFD仿真也是研究生物游動機理的有效手段。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)彎控制面進行了分析；其次基于所拍攝的仿生尾鰭推進器和仿生三角鰭推進器的運動規(guī)律建立了近似運動模型，利用動網(wǎng)格技術(shù)分別對其柔性動作過程進行二維和三維仿真。仿真中得出了其動作過程中非定常力的變化情況，并探討了擺

6、動角度和擺動頻率對推進力的影響，仿真結(jié)果與推進力測試實驗吻合良好。其中，在對仿生尾鰭推進器擺動的二維CFD仿真中，得出了與真實魚尾鰭擺動后同樣的渦環(huán)現(xiàn)象，并對所產(chǎn)生渦環(huán)的渦動力進行了定量分析。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≤≤時可以St0.3實現(xiàn)最優(yōu)推進，仿真中以背景流替代尾鰭的前進速度，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≤≤時的尾鰭擺動尾跡是一種

7、介于阻力尾跡和St0.3推進渦環(huán)之間的中間狀態(tài)。為了進一步驗證數(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)上對仿生尾鰭推進器擺動后的渦環(huán)形成過程進行了可視化研究，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)提供了實驗平臺。
　　烏賊的快速推進的動力源泉還在于其強有力的噴水，為此研制了SMA絲驅(qū)動的仿生烏賊脈沖噴射推進器并對其推進性能進行了實驗測試。實驗探究了驅(qū)動參數(shù)以及噴