上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）水下仿生_2012基于柔性鳍波动的水下仿生系统推进性能研究.pdf_大学文库

摘要摘要水下推进器在海洋资源的勘探技术装备开发中起着越来越重要的作用，传统的水下推进器多采用螺旋桨推进，在效率、机动能力、能耗、噪音等方面存在不足，因此，设计高性能水下推进器已成为各国关注的热点和核心问题之一。鱼类作为海洋的主要“居民”经过上亿年的进化和自然选择，形成了适合海洋环境的独特形态和运动方式。其中柔性鳍波动推进模式与传统的鱼类身体/尾鳍(body and/or caudal fin.简称BCF)推进模式相比，属于中央鳍/对鳍(median and/or paired fin,简称MPF)推进模式，具有低速下高效、高机动性和低流体扰动等显著优点，为未来水下推进器的仿生设计提供了新的选择，采用此种推进模式的仿生推进器不仅适用于远距离航行，还具有小范围机动灵活、抗扰动能力强的特点，对海洋资源的勘探技术装备开发甚至军事方面具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景论文主要围绕柔性鳍波动推进仿生系统的结构设计、水动力学建模及数值计算和实验验证三方面展开：首先，基于动量守恒定律对柔性鳍波动推进模型进行水动力分析，提出基于三维非定常流体控制方程组和基于流固耦合控制方程组的柔性鳍波动系统动力学建模方法，并对两种建模方法进行了分析与比较。其次，以刀鱼长背鳍为研究对象，提出一种新型柔性长背鳍波动模型并通过波动性能实验对柔性长鳍进行优化，采用基于三维非定常流体控制方程组的建模方法对柔性长鳍进行动力学建模并采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,.简称CFD)方法对柔性长鳍波动推进运动实现三维数值计算，揭示了柔性鳍波动时周围流体的压力场、速度场分布特征，同时揭示了柔性鳍波动推进力的变化周期是鳍波动周期的一半。然后，仿生设计并研制了一套基于柔性长鳍波动的仿生推进装置，该装置采用单电机驱动，依靠柔性鳍自身与流体的相互作用传递行波实现推进。同时开展水下推进性能实验，验证系统设计的可行性和可靠性。通过数值计算结果与实验结果的对比，验证了动力学模型及数值计算方法的合理性与准确性，为进一步分析柔性鳍波动的推进机理及提高推进性能的研究提供理论指导及实验基础。为了进一步提高柔性鳍波动推进性能，以枪乌贼为研究对象提出柔性双鳍波动推进方式，并基于流固耦合建模的数值计算方法对柔性双鳍波动推进性能进行优化评估，实 Ⅲ

摘要摘要水下推进器在海洋资源的勘探技术装备开发中起着越来越重要的作用，传统的水下推进器多采用螺旋桨推进，在效率、机动能力、能耗、噪音等方面存在不足，因此，设计高性能水下推进器已成为各国关注的热点和核心问题之一。鱼类作为海洋的主要‘话民”经过上亿年的进化和自然选择，形成了适合海洋环境的独特形态和运动方式。其中柔性鳍波动推进模式与传统的鱼类身体／尾鳍(body andbr caudal fh简称BCF)推进模式相比，属于中央鳍／对鳍(median锄d／or paired fin，简称MPF)推进模式，具有低速下高效、高机动性和低流体扰动等显著优点，为未来水下推进器的仿生设计提供了新的选择，采用此种推进模式的仿生推进器不仅适用于远距离航行，还具有小范围机动灵活、抗扰动能力强的特点，对海洋资源的勘探技术装备开发甚至军事方面具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。论文主要围绕柔性鳍波动推进仿生系统的结构设计、水动力学建模及数值计算和实验验证三方面展开：首先，基于动量守恒定律对柔性鳍波动推进模型进行水动力分析，提出基于三维非定常流体控制方程组和基于流固耦合控制方程组的柔性鳍波动系统动力学建模方法，并对两种建模方法进行了分析与比较。其次，以刀鱼长背鳍为研究对象，提出一种新型柔性长背鳍波动模型并通过波动性能实验对柔性长鳍进行优化，采用基于三维非定常流体控制方程组的建模方法对柔性长鳍进行动力学建模并采用计算流体动力学(computatioml nuid dynalIlics，简称CFD)方法对柔性长鳍波动推进运动实现三维数值计算，揭示了柔性鳍波动时周围流体的压力场、速度场分布特征，同时揭示了柔性鳍波动推进力的变化周期是鳍波动周期的一半。然后，仿生设计并研制了一套基于柔性长鳍波动的仿生推进装置，该装置采用单电机驱动，依靠柔性鳍自身与流体的相互作用传递行波实现推进。同时开展水下推进性能实验，验证系统设计的可行性和可靠性。通过数值计算结果与实验结果的对比，验证了动力学模型及数值计算方法的合理性与准确性，为进一步分析柔性鳍波动的推进机理及提高推进性能的研究提供理论指导及实验基础。为了进一步提高柔性鳍波动推进性能，以枪乌贼为研究对象提出柔性双鳍波动推进方式，并基于流固耦合建模的数值计算方法对柔性双鳍波动推进性能进行优化评估，实 IIl

Abstract Abstract Propellers have been playing an increasingly important role in underwater devices for resources exploration.As traditional propulsions(such as jets and axial propellers)have little advantages of propulsive efficiency at low speed,maneuverability,power consumption and acoustic noise,designing of alternative high-performance underwater propulsion becomes one of most interested research topics.Fish owes their unique morphological characteristics and movement modes for living in deep sea environment after billions of years of evolution and natural selection.In comparison against body/caudal fin (BCF)modes,the flexible undulating fin-based propulsion mode(as one of median/paired fin modes)offers several advantages including good propulsive efficiency,great maneuverability,and low underwater acoustic noise at low speeds;as a result,it is a source of biologically inspiration for future propeller designs. This dissertation presents the design and modeling of a flexible undulating fin-based propulsion system and findings of computational and experimental investigations. Firstly,a new design of a long flexible undulating fin inspired by the knifefish has been developed with the aid of an experimental investigation.Secondly,the hydrodynamics of a flexible undulating fin has been numerically modeled based on the conservation equations of mass and momentum.The three dimensional unsteady fluid controlled equations take into account the effects of fluid-solid interaction and have been numerically solved using computational fluid dynamics(CFD)method for the pressure and velocity distributions and the forces acting on the undulating fin in the neighborhood of the undulating fin.Thirdly,a fin-based robotic fish(driven by a single DC-motor)has been designed and developed for forward propulsion using the undulating fin which propagates the wave in the opposite direction of the swim.The feasibility and reliability of the design have been examined experimentally,which also provides a basis for validating the computed thrust.The theoretical predication,which agrees well with the measured data validating the numerical model,offers guidance for performances improvements of future designs. To improve the propulsion performances,the undulating lateral fin has been numerically solved using a three-dimensional unsteady method based on fluid-solid interaction effect,for optimizing the design of the robotic fish based on flexible lateral fins,which method is experimentally validated previously by comparing the computed thrust against data measured on the prototype long flexible-fin mechanism.Thus a prototype paired lateral-fin mechanism D

Abstract ———————————————————————————————————————————一 Abstract Propellers haVe been playing锄illcreaSingly iInportant role iIl uIlderwater devices for 陀sources eXploration·As删itjonal propulsionS(such aS jets aIld axi甜propellerS)have i湖e adVa11_t乏咯es of propulsiVe efficiency at low speed，maIleuVerabili劬power conSumption aIld aCoustic noiSe，desi蛐ng of aJtematiVe K曲-pe墒咖a11ce undenⅣater propulsion becomes one ot moSt mtereSted research topics． Fish伽忙s their u11ique mo甲hological characteristics a11d m0V锄ent modes斯liVing i11 deep sea enVirollIIlent抵rbil重ionS of years of evolution alld删Selection．In comp撕son agai璐t body／cau砌矗n(BCF)modes，the妇exible undulating fm-baLsed propulsion mode汹one of medi劬aired fm modes)o虢rS several adVantages i11cludiIlg 900d propulsiVe e伍ciency，great malleuverabili坝and low uIldenⅣa：ter acoustlc nolse at Iow speedS；aS a resuIt，it is a SourCe of biologically inspiration for矗Jtl玳 propeller desi罂1s． I llis dlssenation prese吣tlle desi印觚d modeling of a flexible u11dulating fhl-based propulsion s蹲锄觚d findings of coml)雠晒onal锄d expe血lentaJ investigationS． Firstly，a new desi髓of a long nexible u11dulating fm缸pired by t11e kIlife6sh has been devel叩ed wim t11e蔚d of锄exp鲥mental investigation．Secondly，the hydrodyn锄ics of a flexible undul撕ng缸h嬲been num耐cally modeled baSed on廿le conSen，ation eq岫tiollS of maSs aIld momemuIIl·The岫e diIlle璐io砌uIlsteady fluid con们lled eq删oIlS tal(e int0 accoum tlle e腩cts 0f nuid-solid meraction锄d have been mIInerically Solved uSillg compu倒。脚nuid d皿unics(CFD)m砒od for the pressure aIld veloc毋dis舶utionS锄d t11e胁s act啦on雠uIldulating fhl i11 t11e neighborhood of me u11dul弛g丘n．m硼y，a fill．baLsed robotic fiSh(嘶Ven by a siIlgle DC-motor)haS been desi弘ed a11d developed五泔 fo僦耐propulsion us堍Ⅱle llIldulating丘n州ch propagates me wave主n me opposite direction of也e s、Ⅳim．ne feasibil时and reliabil时of廿1e desi髓have beell eX锄iIled eXpe渤entally，州ch also provides a baSis for vali妇iIlg妞computed岫lst．m theo硎Cal p川icatio坞砌ch agrees well w地恤meaSured data validating t11e n啪耐cal model，o腩rs嘶daIlce for pe响咖ances improVements of丘m鹏desig【ls． 10蛐prove me propulsion pe响nIlaIlces，me ulldul撕ng lateral鼬h嬲been numericallv solVed uSing a three-d妇e11sional unsteady me廿lod baSed on nuid．solid interaction e岱；瓯for 0ptiIIli五ng me des啦of也e robotic fish baSed on flexible lateraJ丘ns，删ch method is expe曲e删ly词idat甜preViouSly by comp撕ng tlle computed tllmst agai心data meaSul司 on ttle protot)，pe long fl耐ble-fm mechaIlism．Thus a proto啪e paired lateral．fm mechalliSm V

致谢 Y2063264 致谢本文即将完成之际，首先向导师杨灿军教授致以最衷心的感谢。从本科大五进入课题组开始，杨老师便在我的课题研究、工作生活各方面都给予了极大的关心和照顾，为我及早确立了课题研究的方向，并在整个课题研究过程中，对论文的选题，课题的研究方法，技术路线和论文的撰写等都给予了精心的指导和孜孜不倦的教诲。杨老师学识广博，工作勤奋敬业，为人宽厚谦和，对学生关爱有加，不管是做人还是做事方面都是我学习的楷模。感谢导师组成员美国乔治亚理工大学的Kok-Meng Lee教授。作为机电领域的国际知名学者，Lee教授超高的学术造诣，严谨的治学态度，以及开阔的研究思路，使我受益良多。感谢您在课题的研究方法及论文撰写方面给子的悉心指导，在此送上我最诚挚的祝福。感谢本课题组的全体老师和同学。感谢陈鹰教授、金波副教授、李德骏副教授等老师们的指导和帮助，感谢同项目组的郑精辉硕士的辛勤劳动及耐心指导，感谢王东海、张译中、苏琦等博士生，谢延青、杨寅等硕士，王世全、张弛、桑薇薇、马福楠、刘统、魏谦笑等本科生同学的大力帮忙，感谢实验室张佳帆、赵伟、吴世军、谭春阳、李泽松、黄豪彩、范双双、金玉珍、陈燕虎、孟启承、彭时林等博士生及王杭州、诸敏、周丽娟、孙辉、林鳞、余晖、严华、黎开虎、杨磊、李风波、黄铎佳、张继园等硕士生及其他兄弟姐妹在课题、工作及生活等方面的关心及帮助，在实验室共同渡过一段美好难忘的时光。感谢同窗好友吕艳，你我十年的大学情意，是我一辈子的美好回忆，祝福你会越来越好。感谢所有和我同宿舍过的室友，你们在学习上对我的鼓励，在生活上对我的的照顾和包容，让我成长，让我感动，祝福你们每一位。感谢我的父母。在学业完成之际，只言片语已难以尽表我的感激之情，你们的言传身教让我学会怎样做人做事，你们的无私付出、无限包容和理解给了我继续前行的动力，谨向培养我的父母表示由衷的感谢和崇高的敬意，这篇论文的即将付梓是对你们付出的最好回报。感谢我的哥嫂和妹妹，你们默默的关怀和付出是对我最大的鼓励，让我有勇气乐观的面对一切困难。还有可爱的小侄子，你的出生和成长给我带来太多快乐。祝福我的父母和家人，希望你们永远身体健康，平安快乐。 I

致谢致谢本文即将完成之际，首先向导师杨灿军教授致以最衷心的感谢。从本科大五进入课题组开始，杨老师便在我的课题研究、工作生活各方面都给予了极大的关心和照顾，为我及早确立了课题研究的方向，并在整个课题研究过程中，对论文的选题，课题的研究方法，技术路线和论文的撰写等都给予了精心的指导和孜孜不倦的教诲。杨老师学识广博，工作勤奋敬业，为人宽厚谦和，对学生关爱有加，不管是做人还是做事方面都是我学习的楷模。感谢导师组成员美国乔治亚理工大学的Kok．Meng Lee教授。作为机电领域的国际知名学者，Lee教授超高的学术造诣，严谨的治学态度，以及开阔的研究思路，使我受益良多。感谢您在课题的研究方法及论文撰写方面给予的悉心指导，在此送上我最诚挚的祝福。感谢本课题组的全体老师和同学。感谢陈鹰教授、金波副教授、李德骏副教授等老师们的指导和帮助，感谢同项目组的郑精辉硕士的辛勤劳动及耐心指导，感谢王东海、张译中、苏琦等博士生，谢延青、杨寅等硕士，王世全、张弛、桑薇薇、马福楠、刘统、魏谦笑等本科生同学的大力帮忙，感谢实验室张佳帆、赵伟、吴世军．谭春阳，李泽松，黄豪彩、范双双、金玉珍、陈燕虎、孟启承、彭时林等博士生及王杭州、诸敏、周丽娟、孙辉、林麟、余晖、严华、黎开虎、杨磊、李风波、黄铎佳、张继园等硕士生及其他兄弟姐妹在课题、工作及生活等方面的关心及帮助，在实验室共同渡过一段美好难忘的时光。感谢同窗好友吕艳，你我十年的大学情意，是我一辈子的美好回忆，祝福你会越来越好。感谢所有和我同宿舍过的室友，你们在学习上对我的鼓励，在生活上对我的的照顾和包容，让我成长，让我感动，祝福你们每一位。感谢我的父母。在学业完成之际，只言片语已难以尽表我的感激之情，你们的言传身教让我学会怎样做人做事，你们的无私付出、无限包容和理解给了我继续前行的动力，谨向培养我的父母表示由衷的感谢和崇高的敬意，这篇论文的即将付梓是对你们付出的最好回报。感谢我的哥嫂和妹妹，你们默默的关怀和付出是对我最大的鼓励，让我有勇气乐观的面对一切困难。还有可爱的小侄子，你的出生和成长给我带来太多快乐。祝福我的父母和家人，希望你们永远身体健康，平安快乐

图目录图目录图1．1鱼类推进模式分类………………………………………………………………2 图1-2 MPF鳍波动推进模式鱼类分类…………………………………………………3 图1．3墨鱼侧鳍波动推进形式………………………………………………………………………．．3 图14柔性鳍波动数值研究概况…………………………………………………………6 图1．5鳍波动实验研究概况……………………………………………………………7 图1．6 BCF典型研究成果………………………………………………………………8 图1．7英国哈利尔特一瓦特大学应用PBA的波动长鳍推进装置…………………．9 图1．8美国西北大学带状长鳍推进装置………………………………………………10 图1．9日本大阪大学第三代柔性侧鳍推进机器人…………………………………10 图1．10新加坡南洋理工大学研制的柔性鳍推进机器人…………………………。11 图1．11国防科技大学波动推进装置…………………………………………………12 图1．12北京航空航天大学研制的仿蝠鲼机器人外形图…………………………．．12 图1．13爱沙尼亚塔尔图大学研制的波动鳍推进器…………………………………13 图1．14 sMA驱动的波动鳍仿生推进装置……………………………………………13 图1．15 IPMC驱动的柔性鳍推进装置………………………………………………．14 图1．16浙江大学鳍波动推进仿生系统………………………………………………14 图2．1鱼体水动力受力分析图………………………………………………………．21 图2．2波动鳍单元受力分析图………………………………………………………．22 图2．3刚性平板往复摆动周期流体压力场变化……………………………………26 图2_4流固耦合简例速度场变化……………………………………………………．27 图3．1基于带状长鳍波动推进的黑魔鬼刀鱼……………………………………………29 图3．2柔性长鳍结构示意图…………………………………………………………．．30 图3．3柔性长鳍外缘长度和波形关系………………………………………………．31 图3-4柔性长鳍外形示意……………………………………………………………．．32 图3．5柔性鳍波动性能实验…………………………………………………………．．33 图3．6波动鳍波动性能实验结果……………………………………………………．34 图3．7波动鳍空间运动模型仿真结果………………………………………………．36 图3．8柔性长鳍波动三维流场计算模型……………………………………………．38 ×I

浙江大学博士学位论文 XIl 图3．9柔性鳍上下表面压力分布对比，仁4Hz，仁5．125s……………………………一42 图3．10压力场、速度场分布，f=4Hz，z=0．15m………………………………………43 图3．11频率对压力场、速度场分布的影响…………………………………………43 图3．12数值计算的推进力周期性变化曲线…………………………………………45 图4．1仿生系统整体结构三维图………………………………………………………48 图4．2致动机械鳍的曲柄滑块机构……………………………………………………49 图4．3摆幅调整用偏心轮设计示意图………………………………………………。49 图4_4上浮运动过程示意图…………………………………………………………………………50 图4．5硬件系统总体框图………………………………………………………………5 1 图4．6柔性长鳍波动推进仿生系统实物……………………………………………．52 图4．7仿生样机水池运动实验…………………………………………………………52 图4．8仿生样机水下运动推进参数测量实验………………………………………．53 图4．9柔性鳍振源端A点仿真速度与实际速度对比曲线…………………………54 图4．10柔性鳍DPIV测量实验………………………………………………………57 图4．1l CCD捕捉的流场快照及对应的速度场图像处理…………………………．．57 图4．12 CFD计算某时刻速度场分布，仁2Hz………………………………………．．58 图5．1第一代样机简易PIV实验粒子变化序列图…………………………………62 图5．2鳍简易PIv实验装置……………………………………………………………63 图5．3课题组前期研究工作：墨鱼形态、运动特征测量实验………………………．64 图5-4枪乌贼三角形状柔性双鳍………………………………………………………64 图5．5致动器结构图…………………………………………………………………一66 图5．6仿生装置壳体…………………………………………………………………．．67 图5．7仿生内部结构示意图…………………………………………………………．68 图5．8第二代柔性双鳍波动仿生系统………………………………………………．69 图5．9第一代柔性长鳍流固耦合计算模型…………………………………………．71 图5．10柔性长鳍波形传递序列图……………………………………………………73 图5．11柔性长鳍波动周期内推进力变化曲线，翩Hz………………………………74 图5．12柔性侧鳍波动流固耦合计算模型…………………………………………。75 图5．13柔性侧鳍波动一个周期内压力场分布序列图，f：3Hz，y=O．1m………………76 图5．14柔性侧鳍波动一个周期内速度场分布序列图，f=3Hz，y=0．1m……………．77