基于海洋牧場的小型潛水器驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

1、隨著漁業(yè)資源開發(fā)成本的不斷加大和海洋環(huán)境的不斷惡化，海洋牧場已成為各國競相開發(fā)的領(lǐng)域，它能夠?qū)O業(yè)資源進行有效的增殖和保護與此同時，對其配套監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展要求越來越高，要求能夠方便有效的監(jiān)測和管理海洋牧場的設(shè)施。
　　針對東極島海洋牧場的復(fù)雜的海洋環(huán)境，傳統(tǒng)的小型觀測型潛水器已經(jīng)無法適應(yīng)，為了實現(xiàn)對其有效的觀測，本文在利用記憶合金的記憶性能的同時結(jié)合結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新來設(shè)計柔性仿生推進系統(tǒng)，為后續(xù)研究提供借鑒，起到拋磚引玉的效果。

2、>　　魚類已經(jīng)在地球上生活了五億年之久，長期的自然進化使他們能夠在游動中充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，游動靈活且速度快，這其中柔性魚鰭的作用是功不可沒的，已引起很多科學家的重視，進而產(chǎn)生了仿生推進器。
　　本文首先對魚類的游動方式進行了總結(jié)和研討，通過兩種方式優(yōu)缺點的比較結(jié)合所設(shè)計潛水器特點，創(chuàng)新性的將魚類中央鰭/對鰭（MPF）和身體/尾鰭（BCF）推進模式結(jié)合起來，以MPF為主要的推進模式，設(shè)計柔性波動胸鰭推進器，發(fā)揮其靈活，低速穩(wěn)定性強

3、等優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上加入了BCF模式中的尾鰭結(jié)構(gòu)，一方面可以輔助配合胸鰭實現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)彎、增強低速游動時的穩(wěn)定性等，另一方面可以作為較長距離巡游時的推進器實現(xiàn)高速推進。
　　在驅(qū)動器的選擇上，結(jié)合本文所需小型潛水器的性能特點，我們選擇形狀記憶合金作為仿生鰭的驅(qū)動源。首先對設(shè)計的波動鰭系統(tǒng)進行了整體的動力學仿真以確定其仿生鰭個數(shù)、仿生鰭整體形狀等特征，從穩(wěn)定性和減阻性入手，綜合分析結(jié)果，選擇了流水形胸鰭的中部四鰭配置方式，接著對重要部件

4、——仿生鰭的單元結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，其最大的特點就是要能夠?qū)崿F(xiàn)柔性的三自由度運動，最大程度的模仿魚類鰭部的波動動作，首先利用香農(nóng)定理結(jié)合波動的需要確定了仿生鰭鰭條根數(shù)并對仿生鰭條進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，巧妙的利用SMA合金的形狀回復(fù)效應(yīng)，結(jié)合兩個獨立的驅(qū)動器的控制，實現(xiàn)了鰭條兩個自由度的柔性運動，為了實現(xiàn)仿生鰭三個自由度的柔性運動，我們緊接著設(shè)計了能夠進行一個自由度擺動的仿生鰭基座，在基座的帶動結(jié)合鰭條的兩個自由度運動，成功實現(xiàn)了仿生鰭的三自由度運

5、動，在鰭條之間蒙上了一層高彈性、高伸縮率的硅膠薄膜，模仿魚類“蹼”的作用，使得仿生鰭的擺動實現(xiàn)柔性的效果，同時根據(jù)所設(shè)計潛水器的尺寸參數(shù)確定了其電源和控制系統(tǒng)。
　　在仿生波動鰭基本結(jié)構(gòu)確定下來后，需要對仿生鰭進行性能分析和水動力學仿真，這就需要以仿生鰭的運動學和動力學模型作為基礎(chǔ)，將兩個獨立驅(qū)動器分別單個啟動、同時啟動的三種鰭條運動模式建立了運動學模型，然后對雙驅(qū)動器同時停止工作的模式進行了彈性薄膜約束力和流體阻力的動力學建模，

6、通過建模一方面為將要進行的水動力學仿真和分析提供基礎(chǔ)模型，另一方面可以直觀的通過模型公式看出各個參數(shù)對仿生鰭推進性能的影響。
　　仿生鰭波動方式的選擇是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，利用FLUENT軟件通過對兩種常見的波動方式進行水壓分布、速度分布的仿真和阻力系數(shù)的數(shù)值模擬，綜合這些要素比較出兩種波動方式的優(yōu)劣之處，選擇了最適合本文所設(shè)計潛水器性能的波動方式。
　　尾鰭在所設(shè)計潛水器中一方面起到輔助胸鰭保持平衡的作用，另一方面可以作為

7、潛水器在海洋牧場中進行較長距離游動的推進器，文章中對尾鰭進行了形狀和機械驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計，在形狀的選擇上，通過對三種不同形狀尾鰭進行建模、水動力學仿真，對其阻力、推進穩(wěn)定性等進行比較，選擇了滿足需求性能的月牙形尾鰭，在尾鰭的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計中，分別設(shè)計了單自由度和二自由度的尾鰭機構(gòu)，通過建模對各種參數(shù)的比較，選擇了二自由度尾鰭機構(gòu)，同時根據(jù)其性能選擇了其制造材料和驅(qū)動電機，并對其整體空間立體擺動情況作了介紹。
　　本文在需要工作在狹窄、