仿金槍魚水下機(jī)器人自主游動(dòng)研究.pdf

1、魚類等水生生物擁有的快速、高效和機(jī)動(dòng)靈活游動(dòng)能力，正是水下航行器不斷追求的目標(biāo)。近年來，仿生水下機(jī)器人成為了水下航行器領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，研究認(rèn)識(shí)仿魚類游動(dòng)背后的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)機(jī)理是其中的關(guān)鍵工作。當(dāng)前關(guān)于仿魚類游動(dòng)的研究，一般是基于非自主游動(dòng)模型和簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)變形方程，對(duì)機(jī)理的探究還不夠深入。本文以金槍魚游動(dòng)模式為基礎(chǔ)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，研究了仿金槍魚水下機(jī)器人(簡(jiǎn)稱機(jī)器魚)在多種運(yùn)動(dòng)方式下的自主游動(dòng)機(jī)理。
　　首先

2、，研究了水翼正弦和非正弦擺動(dòng)的推進(jìn)性能。在確定擺角與斯特羅哈爾數(shù)、最大攻角的關(guān)系后，采用RANS( Reynold average Navier Stokes)求解器，單參數(shù)化地計(jì)算分析了高斯特羅哈爾數(shù)時(shí)水翼正弦擺動(dòng)推進(jìn)性能的下降趨勢(shì)、流場(chǎng)變化及最大攻角的影響；在此基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬了調(diào)整平移運(yùn)動(dòng)方程的多種非正弦擺動(dòng)。結(jié)果表明，非正弦擺動(dòng)能大幅提升水翼高斯特羅哈爾數(shù)數(shù)時(shí)的推進(jìn)性能，擺動(dòng)的不同調(diào)整形式主要影響了水翼推力的改善效果。
　

3、　其次，通過RANS求解器和對(duì)CFD軟件進(jìn)行二次開發(fā)編寫的流體-運(yùn)動(dòng)相互作用程序，耦合求解了流體運(yùn)動(dòng)方程和魚體運(yùn)動(dòng)方程，采用彈性光順、網(wǎng)格重構(gòu)和網(wǎng)格整體運(yùn)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的方法處理魚體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大變形問題；在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)器魚可以在縱向、橫向及艏向自主游動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型。然后數(shù)值模擬了機(jī)器魚從靜止加速到巡游的過程，通過與直航試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了自主游動(dòng)模型的有效性；詳細(xì)分析了加速-巡游的水動(dòng)力、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、縱向運(yùn)動(dòng)的變化，及橫向、艏向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

4、。研究表明，平移幅度、搖擺幅度、運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)加速-巡游影響很大，合適的搖擺角度配合平移運(yùn)動(dòng)可以大幅提升機(jī)器魚的游動(dòng)速度和推進(jìn)效率。
　　再次，在自主游動(dòng)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合擺動(dòng)-滑行方式的運(yùn)動(dòng)變形方程，數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚雙側(cè)擺尾模式和單側(cè)擺尾模式的擺動(dòng)-滑行過程。結(jié)果表明，擺動(dòng)-滑行游動(dòng)由于快速擺動(dòng)變形，擺動(dòng)階段的推進(jìn)效率較低，但通過對(duì)滑行時(shí)慣性動(dòng)能和尾流區(qū)漩渦能量吸收而提高了能量利用效率；滑行時(shí)間大于某臨界值時(shí)，比常規(guī)巡游更節(jié)省能量，單

5、側(cè)擺尾模式擺動(dòng)-滑行的能量利用效率高于雙側(cè)擺尾模式；擺動(dòng)-滑行游動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力不對(duì)稱變化使橫向、艏向運(yùn)動(dòng)也呈不對(duì)稱形式，但一個(gè)游動(dòng)周期內(nèi)能保持穩(wěn)定。
　　最后，結(jié)合起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的變形方程，數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚C形起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的自主機(jī)動(dòng)過程，詳細(xì)探討了運(yùn)動(dòng)變形參數(shù)等對(duì)起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)軌跡、轉(zhuǎn)艏角度、運(yùn)動(dòng)速度、水動(dòng)力變化的影響。結(jié)果表明，后擺前期縱向力大幅脈動(dòng)是起動(dòng)運(yùn)動(dòng)加速的主要推力來源，而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)主要依靠前擺開始時(shí)快速變形提供主要的轉(zhuǎn)艏力