博士学位论文 一种超磁机器鱼的设计和游动控制的数值模拟 A Design of the Bionic Robot Fish Actuated by the Giant Magnetostrictive Material and Numerical Simulation of Its Swimming Control 作者姓名： 胡俊林 学科、专业： 固体力学 学 号： 10803015 指导教师： 徐新生教授 完成日期： 2016年4月 大连理工大学 Dalian University of Technology 万方数据
博士学位论文 一种超磁机器鱼的设计和游动控制的数值模拟 A Design of the Bionic Robot Fish Actuated by the Giant Magnetostrictive Material and Numerical Simulation of Its Swimming Control 学 10803015 大连理工大学 Dalian University of Technology 万方数据
Y3044492 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：一种超磁机器鱼的设计和游动控制的数值模拟 作者签名：月俊林 日期：26年6月6日 万方数据
J|Illl I IIIII IIll III rlllJ IIIII IJIIIll IllI Y3044492 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：二弛超磁狃墨鱼的遮盐塑迸动控剑数麴鱼撞塑 作者签名： 查盆丝垒茎起 日期： 丝丝年—互月—￡日 万方数据
大连理工大学博士学位论文 摘 要 随着科学技术的发展，越来越多的机器人进入工业，农业，军事，医疗和生活等领 域中。各种各样的机器人迅速发展，仿生机器鱼就是其典型之一。仿生机器鱼的小型化 和微型化是一种发展趋势，因此对其动力系统和控制系统提出更高的要求。超磁机器鱼 可以不携带动力系统，并可通过外磁场变化实现控制机器鱼的游动。可见，超磁机器鱼 具有很好的发展前景。因此研究仿生超磁机器鱼设计和控制具有重要的科学意义和工程 应用价值。 本文以合金板模拟鱼体骨架，以超磁材料模拟鱼类肌肉，以外磁场主动变化模拟鱼 类的神经控制，建立了一种超磁材料仿生机器鱼模型。借助于外磁场的调节实现控制机 器鱼的游动，并采用数值模拟的方法对问题展开研究。主要研究成果包括：考虑了液体 粘性，由于流体引起的附加惯性质量和鱼尾尾涡产生的推力等因素，建立问题的基本控 制方程以及初边值条件，从而形成封闭的基本问题。在这种超磁材料仿生机器鱼模型的 基础上，通过对控制方程的分析和求解，得到一种解析求解方法，半解析方法和数值计 算方法。根据真实鱼类神经系统对肌肉纤维控制的肌肉肌电图实验数据和信号，给出几 种典型的仿真真实鱼类肌肉收缩规律的外磁场函数用于仿真控制超磁机器鱼。数值模拟 结果发现，这种形式的外磁场可提高机器鱼的游动速度和稳定性，同时也说明真实鱼类 神经系统控制肌肉收缩方式的合理性。此结论为机器鱼的仿生学设计提供了依据。在此 基础上，论文提出一种外磁场变频率控制机器鱼起动和巡游的设想。在机器鱼起动阶段 和巡游阶段采用不同外磁场频率和强度的控制，包括在机器鱼起动中外磁场频率随时间 变化，从而使得机器鱼起动的速度大幅度提高。研究结果表明，这种方法是可行的和有 效的，再次验证了鱼类肌电图形式函数的肌肉收缩规律是合理的。在上述成果的基础上， 采用参数优化方法对机器鱼体骨架和肌肉分布进行了优化，得到一种快速起动和游动方 式的骨架和肌肉厚度分布曲线，即合金板厚度分布和超磁材料厚度分布规律以及外磁场 控制频率。该厚度分布曲线与自然界以用鱼体和尾鳍摆动的方式游动的鱼类的身体特征 相吻合，从而揭示了自然界鱼类的身体特征的机理。本文的研究成果不仅为其它机器鱼 的设计提供了可靠依据，而且为机器鱼的游动控制提供了一种新的途径。 关键词：超磁致伸缩材料；仿生机器鱼；磁场控制；变频率；参数优化 -I- 万方数据
大连理工大学博士学位论文 摘 要 随着科学技术的发展，越来越多的机器人进入工业，农业，军事，医疗和生活等领 域中。各种各样的机器人迅速发展，仿生机器鱼就是其典型之一。仿生机器鱼的小型化 和微型化是一种发展趋势，因此对其动力系统和控制系统提出更高的要求。超磁机器鱼 可以不携带动力系统，并可通过外磁场变化实现控制机器鱼的游动。可见，超磁机器鱼 具有很好的发展前景。因此研究仿生超磁机器鱼设计和控制具有重要的科学意义和工程 应用价值。 本文以合金板模拟鱼体骨架，以超磁材料模拟鱼类肌肉，以外磁场主动变化模拟鱼 类的神经控制，建立了一种超磁材料仿生机器鱼模型。借助于外磁场的调节实现控制机 器鱼的游动，并采用数值模拟的方法对问题展开研究。主要研究成果包括：考虑了液体 粘性，由于流体引起的附加惯性质量和鱼尾尾涡产生的推力等因素，建立问题的基本控 制方程以及初边值条件，从而形成封闭的基本问题。在这种超磁材料仿生机器鱼模型的 基础上，通过对控制方程的分析和求解，得到一种解析求解方法，半解析方法和数值计 算方法。根据真实鱼类神经系统对肌肉纤维控制的肌肉肌电图实验数据和信号，给出几 种典型的仿真真实鱼类肌肉收缩规律的外磁场函数用于仿真控制超磁机器鱼。数值模拟 结果发现，这种形式的外磁场可提高机器鱼的游动速度和稳定性，同时也说明真实鱼类 神经系统控制肌肉收缩方式的合理性。此结论为机器鱼的仿生学设计提供了依据。在此 基础上，论文提出一种外磁场变频率控制机器鱼起动和巡游的设想。在机器鱼起动阶段 和巡游阶段采用不同外磁场频率和强度的控制，包括在机器鱼起动中外磁场频率随时间 变化，从而使得机器鱼起动的速度大幅度提高。研究结果表明，这种方法是可行的和有 效的，再次验证了鱼类肌电图形式函数的肌肉收缩规律是合理的。在上述成果的基础上， 采用参数优化方法对机器鱼体骨架和肌肉分布进行了优化，得到一种快速起动和游动方 式的骨架和肌肉厚度分布曲线，即合金板厚度分布和超磁材料厚度分布规律以及外磁场 控制频率。该厚度分布曲线与自然界以用鱼体和尾鳍摆动的方式游动的鱼类的身体特征 相吻合，从而揭示了自然界鱼类的身体特征的机理。本文的研究成果不仅为其它机器鱼 的设计提供了可靠依据，而且为机器鱼的游动控制提供了一种新的途径。 关键词：超磁致伸缩材料；仿生机器鱼；磁场控制；变频率；参数优化 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 A Design of the Bionic Robot Fish Actuated by the Giant Magnetostrictive Material and Numerical Simulation of Its Swimming Control Abstract With the development of science and technology,more and more robots are used into industry,agriculture,military,medicine and domestic life.Various robots develop rapidly where bionic robot fish is one of their types.The miniaturization of the bionic robot fish is a kind of development trend,therefore,the power system and control system of the robot have faced higher demands.The design of fish-like micro robots with the giant magnetostrictive material,without carrying the power system,can realize the control of the robot fish swimming through the change of the external magnetic field only.Thus,fish-like micro robots of giant magnetostrictive material have a good development prospect.So it is of great scientific significance and engineering application value to study the design and control of the bionic giant magnetostrictive fishes. The alloy sheet is simulated as the framework of the fishtail of fish-like robot,the giant magnetostrictive material,which is attached the sheet,as the muscle of the fish and the external magnetic field as the nerve to control the swing of the fishtail in this paper.Thus a biomimetic robotic fish model with the giant magnetostrictive material is presented.The robot fish swimming can be controlled aid the adjustment of the external magnetic field,meanwhile and the problem is studied by the use of numerical simulation method.Main research results include:fundamental control equations and initial and boundary conditions are established thus forming a closed fundamental problem,in which the viscous of liquid is considered,the added inertia mass caused by fluid is analysed and the vortex counterforce caused by fin swing is discussed.Based on the model of biomimetic robot fish,an analytical solution method,a semi analytical method and a numerical calculation method are obtained by analyzing and solving the governing equations.According to the nervous system of real fishes to control muscle fiber from data and signal of electromyogram in experiments,Several typical functions of the external magnetic field are given by simulation of muscle contraction of real fishes for controlling the robotic fish.The numerical simulation results show that this form of external magnetic field can improve the swimming speed and stability of the robot fish,and the rationality is shown also for the real fish nervous system controlling muscle contraction.This conclusion provides a basis for bionic design of robot fish.On the basis of the above,the paper presents an idea of variable frequency of the extemal magnetic field to II 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 ADesign of the Bionic Robot Fish Actuated by the Giant Magnetostrictive Material and Numerical Simulation of Its Swimming Control Abstract With the development of science and technology，more and more robots are used Into industry，agriculture，military，medicine and domestic life．Various robots develop rapidly where bionic robot fish is one of their types．The miniaturization of the bionic robot fish is a kind of development trend，therefore，the power system and control system of the robot have faced higher demands．The design of fish-like micro robots with the giant magnetostrictive material，without carrying the power system，can realize the control of the robot fish swimming through the change of the extemal magnetic field only．Thus，fish—like micro robots of giant magnetostrictive material have a good development prospect．So it is of great scientific significance and engineering application value to study the design and control of the bionic giant magnetostrictive fishes． The alloy sheet is simulated as the framework of the fishtail of fish—like robot，the giant magnetostrictive material，which is attached the sheet，as the muscle of the fish and the external magnetic field as the nerve to control the swing of the fishtail in this paper．Thus a biomimetic robotic fish model with the giant magnetostrictive material is presented．The robot fish swimming can be controlled aid the adjustment of the external magnetic field，meanwhile， and the problem is studied by the use of numerical simulation method．Main research results include：fundamental control equations and initial and boundary conditions ale established thus forming a closed fundamental problem，in which the viscous of liquid is considered，the added inertia mass caused by fluid is analysed and the vortex counterforce caused by fin swing is discussed．Based on the model of biomimetic robot fish，an analytical solution method，a semi analytical method and a numerical calculation method are obtained by analyzing and solving the governing equations．According to the nervous system of real fishes to control muscle fiber from data and signal of electromyogram in experiments，Several typical functions of the external magnetic field are given by simulation of muscle contraction of real fishes for controlling the robotic fish．The numerical simulation results show that this form of extemal magnetic field can improve the swimming speed and stability of the robot fish，and the rationality is shown also for the real fish nervous system controlling muscle contraction．This conclusion provides a basis for bionic design of robot fish．On the basis of the above，the paper presents all idea of variable frequency of the external magnetic field to II— 万方数据
大连理工大学博士学位论文 control starting and cruising of the fish.In robotic fish starting and cruising stages,the different intensity and frequency of the external magnetic field are controlled,starting and cruising velocities are improved greatly including the frequency of the external magnetic field varies with time in the robotic fish starting stage.The results show that this method is feasible and effective,and it is proved that the electromyogram rule of muscle contraction pattern is reasonable.Based on of the results,the method of parameter optimization is applied to optimize distributions of skeleton and muscle of the robotic fish body and distributional curves of the thicknesses of skeleton and muscle are obtained for quick starting and the swimming modes,which the thickness of alloy sheet,the thickness of giant magnetostrictive material and the frequency of exteral magnetic field are determined for controlling optimal swimming of the robotic fish.The curves of thickness distribution are agreement with nature fish body and swing mode of caudal fin for fish swimming,so as to reveal the mechanism of the physical characteristics of the fish in nature.The research results of this paper not only present a reliable basis for the design of others robot fishes,but also provide a new way for swimming control of robot fish. Key Words:giant magnetostrictive material;bionic robot fish;control of magnetic field; variable frequency;parameter optimization. -III 万方数据
大连理工大学博士学位论文 control starting and cruising of the fish．In robotic fish starting and cruising stages，the different intensity and frequency of the external magnetic field are controlled，starting and cruising velocities are improved greatly including the frequency of the external magnetic field varies with time in the robotic fish starting stage．The results show that this method is feasible and effective，and it is proved that the electromyogram rule of muscle contraction pattern is reasonable．Based on of the results，the method of parameter optimization is applied to optimize distributions of skeleton and muscle of the robotic fish body and distributional curves of the thicknesses of skeleton and muscle are obtained for quick starting and the swimming modes，which the thickness of alloy sheet，the thickness of giant magnetostrictive material and the frequency of external magnetic field are determined for controlling optimal swimming of the robotic fish．The curves of thickness distribution are agreement with nature fish body and swing mode of caudal fin for fish swimming，SO as to reveal the mechanism of the physical characteristics of the fish in nature．The research results of this paper not only present a reliable basis for the design of others robot fishes，but also provide a new way for swimming control of robot fish． Key Words：giant magnetostrictive material；bionic robot fish；control of magnetic field； variable frequency；parameter optimization． 一III 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 目 录 摘 要 Abstract .II 1绪论 1.】研究目的和意义… 1.2鱼类运动的研究现状. 1.2.1鱼类游动模式的研究… 1.2.2自然界鱼类观察实验 .5 1.2.3鱼类推进机理的研究 6 1.2.4鱼类游动的数值模拟… 8 13仿生鱼的研究现状… .8 1.3.1鱼体肌电测量技术 8 132新型智能材料驱动器… 9 1.3.4仿生机器鱼研究概况… .10 1.4本文的主要研究工作内容… 12 2超磁致伸缩材料仿生机器鱼的简化模型… .14 2.1超磁致伸缩材料力学性能… 14 22超磁材料仿生机器鱼的力学简化模型 .17 2.3超磁机器鱼的固有频率和振型 .21 2.4小结. .26 3超磁仿生机器鱼线性游动模型及外磁场控制方法. .27 3.1基本控制方程和求解方法… .27 3.1.】鱼尾摆动的控制方程27 3.1.2超磁机器鱼游动驱动力 30 31.3超磁机器鱼游动的控制方程与求解方法…31 3.2数值结果与分析33 3.2.1超磁机器鱼模型参数设置. .33 3.2.2超磁仿生机器鱼游动位移与外磁场频率的关系分析…34 3.2.3超磁仿生机器鱼沿体长的驱动力分布… 35 3.2.4机器鱼游动特征与轨迹… 40 3.2.5尾涡推力的作用.44 IV- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 目 录 摘 要…………………………………………………………………………………．I Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II 1 绪{仑………………………………………………………………………………………………………………l l，1研究目的和意义………………………………………………………………1 1．2鱼类运动的研究现状…………………………………………………………1 1．2．1鱼类游动模式的研究…………………………………………………1 1．2．2 自然界鱼类观察实验…………………………………………………5 1．2．3鱼类推进机理的研究…………………………………………………6 1．2．4鱼类游动的数值模拟…………………………………………………8 1．3仿生鱼的研究现状……………………………………………………………8 1．3．1 鱼体肌电测量技术……………………………………………………8 1．3．2新型智能材料驱动器…………………………………………………9 1．3．4仿生机器鱼研究概况………………………………………………．．10 1．4本文的主要研究工作内容…………………………………………………．12 2超磁致伸缩材料仿生机器鱼的简化模型…………………………………………14 2．1超磁致伸缩材料力学性能…………………………………………………．14 2．2超磁材料仿生机器鱼的力学简化模型……………………………………．17 2．3超磁机器鱼的固有频率和振型……………………………………………．21 2．4 小结…………………………………………………………………………………………………．．26 3超磁仿生机器鱼线性游动模型及外磁场控制方法………………………………27 3．1基本控制方程和求解方法…………………………………………………．27 3．1．1鱼尾摆动的控制方程………………………………………………一27 3．1．2超磁机器鱼游动驱动力……………………………………………．．30 3．1．3超磁机器鱼游动的控制方程与求解方法…………………………．．31 3．2数值结果与分析……………………………………………………………．33 3．2．1 超磁机器鱼模型参数设置…………………………………………．．33 3．2。2超磁仿生机器鱼游动位移与外磁场频率的关系分析……………。。34 3．2．3超磁仿生机器鱼沿体长的驱动力分布……………………………．．35 3．2．4机器鱼游动特征与轨迹……………………………………………．．40 3．2．5尾涡推力的作用……………………………………………………．．44 IV 万方数据
大连理工大学博士学位论文 3.3外磁场变频率控制 447 4小结4444444444,4 4超磁机器鱼游动中非线性问题的数值模拟及肌电图控制模拟 .50 4.1非线性问题控制方程及数值方法50 4.L.1非线性阻尼和几何大变形描述… .50 4.1.2机器鱼游动中驱动力表述 .54 4.2数值算例模拟结果 55 4.2.1机器鱼游动位移与外磁场频率的关系… 56 4.2.2驱动力沿超磁机器鱼体分布分析 .57 42.3超磁机器鱼游动轨迹及物理量随时间变化规律 …61 4.3仿生肌电图形式的外磁场控制… …65 4.3.1典型鱼类巡航和起动肌电图分析 65 4.3.2外磁场频率仿生控制… .66 4.3.3数值仿生模拟结果 .69 4.4小结.… 70 5超磁材料仿生机器鱼形状参数优化… 71 5.1数值计算模型. 471 5.2超磁材料仿生机器鱼仿生骨架的参数优化.73 5.3超磁机器鱼仿生肌肉厚度的参数优化 .86 5.4优化机器鱼骨架和肌肉对应的鱼身摆动及游动规律94 5.4.1鱼身摆动曲线和驱动力沿体长分布.95 5.4.2机器鱼速度变化和运动轨迹 .97 5.5小结… .101 6超磁仿生机器鱼游动的附加惯性效应… .103 6.1考虑附加惯性效应的控制方程.… 103 6.1.1控制方程的求解… .105 6.1.2游动驱动力及游动过程.… .108 6.2数值计算结果. …109 6.2.1游动物理量随时间变化规律… .111 6.2.2游动距离与外磁场频率的关系 119 6.3小结 .120 结 论…” …121 万方数据
大连理工大学博士学位论文 3．3外磁场变频率控制…………………………………………………………．47 3．4 小结………………………………………………………………………………一…………………48 4超磁机器鱼游动中非线性问题的数值模拟及肌电图控制模拟…………………50 4．1 非线性问题控制方程及数值方法…………………………………………．50 4．1．1 非线性阻尼和几何大变形描述……………………………………．．50 4．1．2机器鱼游动中驱动力表述…………………………………………．．54 4．2数值算例模拟结果…………………………………………………………．55 4．2．1 机器鱼游动位移与外磁场频率的关系……………………………．．56 4．2．2驱动力沿超磁机器鱼体分布分析…………………………………．．57 4．2．3超磁机器鱼游动轨迹及物理量随时间变化规律…………………．．61 4．3仿生肌电图形式的外磁场控制……………………………………………．65 4。3．1 典型鱼类巡航和起动肌电图分析…………………………………一65 4．3．2外磁场频率仿生控制………………………………………………一66 4．3．3数值仿生模拟结果…………………………………………………一69 4．4小结…………………………………………………………………………………………………．．70 5超磁材料仿生机器鱼形状参数优化………………………………………………71 5．1数值计算模型………………………………………………………………．71 5．2超磁材料仿生机器鱼仿生骨架的参数优化………………………………．73 5．3超磁机器鱼仿生肌肉厚度的参数优化……………………………………．86 5．4优化机器鱼骨架和肌肉对应的鱼身摆动及游动规律……………………．94 5．4．1 鱼身摆动曲线和驱动力沿体长分布………………………………．．95 5．4．2机器鱼速度变化和运动轨迹………………………………………一97 5．5小结…………………………………………………………………………………………………101 6超磁仿生机器鱼游动的附加惯性效应…………………………………………一1 03 6．1 考虑附加惯性效应的控制方程……………………………………………1 03 6．1．1控制方程的求解……………………………………………………105 6．1．2游动驱动力及游动过程……………………………………………108 6．2数值计算结果………………………………………………………………109 6．2．1 游动物理量随时间变化规律………………………………………11 1 6．2．2游动距离与外磁场频率的关系……………………………………119 6．3 小结…………………………………………………………………………………………………120 结 论…………………………………………………………………………………………………………121 V 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 参考文献… …122 创新点摘要. 攻读博士学位期间发表学术论文情况 .130 致谢… .131 作者简介.13 大连理工大学学位论文版权使用授权书.… .133 VI- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 参考文献…………………………………………………………………………．．122 创新点摘要……………………………………………………………………………129 攻读博士学位期间发表学术论文情况………………………………………………130 致 谢…………………………………………………………………………………………………………131 作者简介………………………………………………………………………………1 32 大连理工大学学位论文版权使用授权书……………………………………………133 万方数据
大连理工大学博士学位论文 1绪论 在自然界中，鱼类是灵巧的游泳者，它们的游动能力各具特色，游动方式千姿百态。 而鱼类的水中运动能力在于它们能够对水流的完美控制，这吸引了众多学者去研究它们 运动的机制，并根据它们来研制仿生机器鱼山。 1.1研究目的和意义 对于水生动物里的鱼类，它们的形体及运动机理是生物学家和工程师关心的问题， 对它们的研究做了大量的工作。鱼类作为水中生活动物，鱼类种类繁多，外形上的差距 很大。在它们的运动方式中，主要是通过自身身体的运动实现与周围流体相互作用)， 这是因为它们能够充分利用流体力学原理，具有非常高的游动效率，适合各种不同的环 境。 英国生物学家James Gray在1936年，提出了一种有关海豚游动的计算的模型，该 模型分析海豚身形在水中运动时的阻力，考虑海豚以20节的平均速度游动，讨论海豚 游动过程中的做功，计算该功时可用阻力乘距离（海豚每日游动），同时，为了推算出 海豚能够用于游动的能量，他还记录了海豚每日摄取的食物含量，然后他得到一个令人 不可思议的结论：海豚所做的功是其食物热量的7倍之多。Gray在这些观察和计算的基 础上，提出了一个疑题：海豚的游动效率远远超出了100%。虽然属于哺乳类动物，但 海豚是具有同鱼类类似的外形和相同的运动方式，因此人们将这个结论用于整个鱼类， 称为Gray悖论。 自然界鱼类的游动具有得天独厚的本领，通过应用鱼类的游动机理来设计自主式水 下航行器的推进系统，对常规螺旋桨式的水下推进器来说，这是另一种推进方式。通 过探讨鱼类高速、高效、灵活游动机制可以促进仿生机器鱼的研究、开发向。 1.2鱼类运动的研究现状 1.2.1鱼类游动模式的研究 鱼类表现出来的各种各样的运动可以分为游动的和非游动的，而对于游动运动，根 据英国学者Breder)在1926年对鱼的分类，如果鱼是通过弯曲自己的身体和/或尾鳍来 产生推力，这种运动方式称之为身体/尾鳍(BCF:body and/or caudal fin)推进模式，鳗鱼、 金枪鱼和鲨鱼可以归于这一类模式，如图1.1()所示。如果鱼是用它们的中央鳍，这包 括臀鳍、背鳍和胸鳍，或对鳍，这包括腹鳍和胸鳍，作为推进部位，则这种方式称为中 万方数据
大连理工大学博士学位论文 1绪论 在自然界中，鱼类是灵巧的游泳者，它们的游动能力各具特色，游动方式千姿百态。 而鱼类的水中运动能力在于它们能够对水流的完美控制，这吸引了众多学者去研究它们 运动的机制，并根据它们来研制仿生机器鱼【l】。 1．1 研究目的和意义 对于水生动物里的鱼类，它们的形体及运动机理是生物学家和工程师关心的问题， 对它们的研究做了大量的工作。鱼类作为水中生活动物，鱼类种类繁多，外形上的差距 很大【21。在它们的运动方式中，主要是通过自身身体的运动实现与周围流体相互作用【3J， 这是因为它们能够充分利用流体力学原理，具有非常高的游动效率，适合各种不同的环 境。 英国生物学家James Grayl4】在1936年，提出了一种有关海豚游动的计算的模型，该 模型分析海豚身形在水中运动时的阻力，考虑海豚以20节的平均速度游动，讨论海豚 游动过程中的做功，计算该功时可用阻力乘距离(海豚每日游动)，同时，为了推算出 海豚能够用于游动的能量，他还记录了海豚每日摄取的食物含量，然后他得到一个令人 不可思议的结论：海豚所做的功是其食物热量的7倍之多。Gray在这些观察和计算的基 础上，提出了一个疑题：海豚的游动效率远远超出了100％。虽然属于哺乳类动物，但 海豚是具有同鱼类类似的外形和相同的运动方式，因此人们将这个结论用于整个鱼类， 称为Gray悖论。 自然界鱼类的游动具有得天独厚的本领，通过应用鱼类的游动机理来设计自主式水 下航行器的推进系统【5J，对常规螺旋桨式的水下推进器来说，这是另一种推进方式。通 过探讨鱼类高速、高效、灵活游动机制可以促进仿生机器鱼的研究、开剔6。。 1．2鱼类运动的研究现状 1．2．1鱼类游动模式的研究 鱼类表现出来的各种各样的运动可以分为游动的和非游动的，而对于游动运动，根 据英国学者Brederl『7J在1926年对鱼的分类，如果鱼是通过弯曲自己的身体和／或尾鳍来 产生推力，这种运动方式称之为身体／尾鳍(BCF：body and／or caudal tin)推进模式，鳗鱼、 金枪鱼和鲨鱼可以归于这一类模式，如图1．1(a)所示。如果鱼是用它们的中央鳍，这包 括臀鳍、背鳍和胸鳍，或对鳍，这包括腹鳍和胸鳍，作为推进部位，则这种方式称为中 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 央鳍/对鳍(MPF:median and/or paired fin)推进方式，像鳐鱼和鲀鱼等属于这一类游动模 式，如图1.1(b)所示。 (I)鳗鲡模式：用这样的模式游动的鱼都有一个长的，纤细且非常灵活的身体。它 们的游动特点是整个身体都作为推进器，身体呈现的波形是至少大于一个完整波形，从 而使侧向力都基本抵消掉了，于是行进单位距离所需能量最少。另外，它们可以通过改 变身体波动的传播方向而实现倒退游动)，像鳗鱼、无脊椎动物类的文昌鱼等都是这种 游动模式的典型例子。 (2)鲹科模式：这种游动方式的鱼也需要整个身体有从前向后逐渐增加幅值的波动， 它们的身体有一个较窄的尾柄和一个高叉状的尾鳍，且尾鳍具有一定刚度，而推进力也 主要由这个尾鳍产生，其推进速度和效率较高，它们能由尾鳍的来回摆动生成一种正反 交替的离散涡，在鱼的尾后留下尾迹，这种尾迹的结构与一般会产生阻力的卡门涡街相 比，其方向是相反的，因此是一种推力类型的0，像鲭鱼、鲷鱼等是这种模式游动的典 型例子。 Anguilliform Subearangiform Carangiform Thunniform Os中aciiform Undulatory Oscillatory a pectoral dorsal anal anal and dorsal Undulatory Rajiform Diodontiform Amiiform Gymnotiform Balistiform fin motions L-V P Labriform Tetraodontiform Oscillatory fin motions (b) 图1.1 常见鱼类的推进模式，(a)BC℉模式(b)MPP模式⑧1（阴影部分为产生推力的部分） Fig.1.1 Swimming modes associated with(a)BCF propulsion and(b)MPF propulsion.Shaded areas contribute to thrust generation -2- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 央鳍／对鳍(MPF：median and／or paired fin)推进方式，像鳐鱼和纯鱼等属于这一类游动模 式，如图1．1(b)所示。 (1)鳗鲡模式：用这样的模式游动的鱼都有一个长的，纤细且非常灵活的身体。它 们的游动特点是整个身体都作为推进器，身体呈现的波形是至少大于一个完整波形，从 而使侧向力都基本抵消掉了，于是行进单位距离所需能量最少。另外，它们可以通过改 变身体波动的传播方向而实现倒退游动【9】，像鳗鱼、无脊椎动物类的文昌鱼等都是这种 游动模式的典型例子。 (2)鲣科模式：这种游动方式的鱼也需要整个身体有从前向后逐渐增加幅值的波动， 它们的身体有一个较窄的尾柄和一个高叉状的尾鳍，且尾鳍具有一定刚度，而推进力也 主要由这个尾鳍产生，其推进速度和效率较高，它们能由尾鳍的来回摆动生成一种正反 交替的离散涡，在鱼的尾后留下尾迹，这种尾迹的结构与一般会产生阻力的卡门涡街相 比，其方向是相反的，因此是一种推力类型的【l…，像鲭鱼、鲷鱼等是这种模式游动的典 型仞I子。 l(￡：H芝竺兰豢一≤兰§一≤飘i 彳≤…～、、＼．、／／／一～』～～一 Undulatory fin motions Oscillalorv fin motions Ostraci(farrtl 匿一，二鲫I 一一一蕊面jti菇卜 [京¨v—mnoti[nrm] Bal厶tilhrm l，，，令弋，，J 弋、：之i、i． ＼、／?《S一 (b) 图1．1常见鱼类的推进模式，(a)BCF模式(b)MPF模式【81(阴影部分为产生推力的部分) Fig．1．1 Swimming modes associated with(a)BCF propulsion and(b)MPF propulsion．Shaded areas contribute to thrust generation 磊、知一小3 删逐脚魔《 一协一髻一 ，Ⅳ^l^¨^一胁哆 e 哩 篓．凹氐拼一声 登小一 万方数据