上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源_水下_仿生鳐鱼的结构设计与实验研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- 目录摘要 .........................................................................................................................I Abstract.................................................................................................................. II 第 1 章绪论...........................................................................................................1 1.1 课题的来源及研究的背景和意义............................................................1 1.1.1 课题的来源 ...................................................................................1 1.1.2 课题研究的背景和意义................................................................1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................2 1.2.1 国内仿生鱼研究现状....................................................................2 1.2.2 国外仿生鱼研究现状....................................................................7 1.2.3 现有研究存在的问题.....................................................................9 1.3 本课题主要研究内容 ...............................................................................9 1.4 技术难点分析 ......................................................................................... 10 第 2 章鳐鱼的仿生学基础及动力学模型.......................................................... 11 2.1 仿生对象的介绍 ..................................................................................... 11 2.2 物理模型的建立 ..................................................................................... 12 2.3 运动学模型的建立 ................................................................................. 14 2.4 动力学模型的建立 ................................................................................. 15 2.5 本章小结................................................................................................ 21 第 3 章仿生鳐鱼的本体设计 ............................................................................. 22 3.1 引言......................................................................................................... 22 3.2 仿生鳐鱼本体设计原则 ......................................................................... 22 3.3 仿生鳐鱼的本体结构设计 ..................................................................... 23 3.3.1 仿生鳐鱼的整体结构设计........................................................... 23 3.3.2 仿生鳐鱼的外壳制作................................................................... 23 3.3.3 波动胸鳍的制作 .......................................................................... 25 3.3.4 摆动机构的设计 .......................................................................... 26 3.3.5 仿生鳐鱼的驱动选择................................................................... 28 3.3.6 仿生鳐鱼传动机构的设计........................................................... 29 3.3.7 仿生鳐鱼防水密封的设计........................................................... 30 3.3.8 仿生鳐鱼质量分布及重力和浮力的计算 ................................... 33 3.4 本章小结................................................................................................. 35 万方数据

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 第 4 章仿生鳐鱼的推进性能实验...................................................................... 36 4.1 引言......................................................................................................... 36 4.2 推进实验参数 ......................................................................................... 36 4.3 仿生鳐鱼推进速度的实验研究.............................................................. 36 4.3.1 推进速度实验目的 ...................................................................... 36 4.3.2 推进速度实验方案 ...................................................................... 36 4.3.3 推进速度实验内容 ...................................................................... 37 4.3.4 推进速度实验结果 ...................................................................... 38 4.4 仿生鳐鱼系统推进力实验研究.............................................................. 40 4.4.1 推进力实验目的 .......................................................................... 40 4.4.2 推进力实验方案 .......................................................................... 40 4.4.3 推进力实验内容 .......................................................................... 40 4.4.4 推进力实验结果 .......................................................................... 41 4.5 本章小结................................................................................................. 43 第 5 章仿生鳐鱼的转弯性能实验...................................................................... 44 5.1 引言......................................................................................................... 44 5.2 转弯实验参数 ........................................................................................ 44 5.3 鳐鱼转弯特性的实验研究..................................................................... 44 5.3.1 转弯实验目的 .............................................................................. 44 5.3.2 转弯实验方案 .............................................................................. 44 5.3.3 转弯实验内容 .............................................................................. 45 5.3.4 转弯实验结果 .............................................................................. 46 5.4 仿生鳐鱼的逆向游动性能的实验研究 .................................................. 49 5.4.1 逆向游动实验目的 ...................................................................... 49 5.4.2 逆向游动实验方案 ...................................................................... 49 5.4.3 逆向游动实验内容 ...................................................................... 49 5.4.4 逆向游动实验结果 ...................................................................... 49 5.5 本章小结................................................................................................. 51 结论 ...................................................................................................................... 52 参考文献............................................................................................................... 53 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 .................................... 56 致谢................................................................................................................... 57 万方数据

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1课题的来源及研究的背景和意义 1.1.1课题的来源本课题来源于国家自然科学基金（资助号：50905040）。 1.1.2课题研究的背景和意义伴随着人类社会文明的发展和技术的进步，人类的活动领域和探索空间也不断扩大。但是，由于人类的无节制开采，地球上陆地资源日趋枯竭。因此，人类开始将目光投向海洋，人类对海洋的开发利用已逐渐成为当前科学研究的热点，2]。适应海洋环境的水下推进器是人类开发和勘探海洋资源所必需的，因此，能够适应海洋环境的水下推进器具有广阔的应用前景现实的背景和需要必将大大促进水下推进器的发展]。目前，绝大多数的水下推进器采用了螺旋桨推进系统4，通过螺旋浆桨叶在水中的转动推动水流向后运动，从而将发动机的转动运动转化为推进器向前推进的运动。以螺旋桨作为推进系统的水下推进器，存在诸多缺点，例如系统体积大、重量大、瞬时响应的严重滞后、能量转化率低、效果差、可靠性难以保证、机动性能差、推进噪音大以及产生较大尾涡等先天性的劣势)。由于螺旋桨推进器具有上述缺点，所以传统的螺旋桨推进系统已经不能很好地满足水下推进器高效率、高机动性、运动灵活等要求。人类通过对海洋生物大范围、长时间的观测和研究发现，以蝠鲼、大西洋牛鼻鲼等为典型代表的鳐形目鱼类，具有良好的运动性能，游动机动性强，鱼鳍受载面积大，游动扰动小，擅长长距离迁徙游动，并且能够跃出水面阿，其超凡的游动机动性能、低扰动性和高效率是传统的螺旋桨推进系统所望尘莫及的门。鳐鱼的游动推进模式具有高机动性、低扰动性以及高效率等传统推进系统所不具备的优点，为人类研究和开发能够更好地适应海洋水下环境的推进系统提供了模仿对象[⑧] 故本文将以鳐鱼作为仿生对象，设计仿生鳐鱼实验装置，通过实验验证鳐鱼胸鳍波动推进方式的可行性和优越性。 -1- 万方数据

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章绪论 1.1 课题的来源及研究的背景和意义 1.1.1 课题的来源本课题来源于国家自然科学基金（资助号：50905040）。 1.1.2 课题研究的背景和意义伴随着人类社会文明的发展和技术的进步，人类的活动领域和探索空间也不断扩大。但是，由于人类的无节制开采，地球上陆地资源日趋枯竭。因此，人类开始将目光投向海洋,人类对海洋的开发利用已逐渐成为当前科学研究的热点[1,2]。适应海洋环境的水下推进器是人类开发和勘探海洋资源所必需的，因此，能够适应海洋环境的水下推进器具有广阔的应用前景,现实的背景和需要必将大大促进水下推进器的发展[3]。目前，绝大多数的水下推进器采用了螺旋桨推进系统[4]，通过螺旋浆桨叶在水中的转动推动水流向后运动，从而将发动机的转动运动转化为推进器向前推进的运动。以螺旋桨作为推进系统的水下推进器，存在诸多缺点，例如系统体积大、重量大、瞬时响应的严重滞后、能量转化率低、效果差、可靠性难以保证、机动性能差、推进噪音大以及产生较大尾涡等先天性的劣势[5]。由于螺旋桨推进器具有上述缺点，所以传统的螺旋桨推进系统已经不能很好地满足水下推进器高效率、高机动性、运动灵活等要求。人类通过对海洋生物大范围、长时间的观测和研究发现，以蝠鲼、大西洋牛鼻鲼等为典型代表的鳐形目鱼类，具有良好的运动性能，游动机动性强，鱼鳍受载面积大，游动扰动小，擅长长距离迁徙游动，并且能够跃出水面[6]，其超凡的游动机动性能、低扰动性和高效率是传统的螺旋桨推进系统所望尘莫及的[7]。鳐鱼的游动推进模式具有高机动性、低扰动性以及高效率等传统推进系统所不具备的优点，为人类研究和开发能够更好地适应海洋水下环境的推进系统提供了模仿对象[8] , 故本文将以鳐鱼作为仿生对象，设计仿生鳐鱼实验装置，通过实验验证鳐鱼胸鳍波动推进方式的可行性和优越性。万方数据

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2国内外研究现状 1.2.1国内仿生鱼研究现状自然界鱼类种群分类有多种，目前，仿生学研究者主要依据鱼类产生推进力的具体部位和特点对鱼类进行分类，可分为两种：BCF模式(Body and Caudal Fin, 身体/尾鳍模式)和MPF模式(Median and/or Paired Fin,中央鳍/对鳍模式)[9,1o。这两种模式的区别在于鱼类产生动力的部位不同，BC℉模式鱼类游动的推进力主要来源于身体或者尾鳍的摆动，如鲹科、鲔科模式等：MP℉模式鱼类游动的推进力主要来源于成对的胸鳍或者背鳍的运动，其他部位的鱼鳍只起辅助作用，保证鱼体游动的稳定性等。本文的研究对象为鳐鱼，该种鱼按推进力产生的具体部位分类属于中央鳍/对鳍模式鱼类。考虑到两种不同模式鱼类研究内容的差异，本章主要介绍关于中央鳍/对鳍模式鱼类的研究现状。国内比较早开始以中央鳍/对鳍模式鱼类作为研究对象进行研究的机构主要有国防科技大学、北京航空航天大学等高校。 2005年，国防科技大学李非等以尼罗河魔鬼鱼为研究对象，进行了仿生学研究。该研究对象尼罗河魔鬼鱼属弓鳍目或鳞鲀科鱼类，主要依靠鱼体上背鳍或者臀鳍的运动产生推进力，按推进模式分类属于MP℉（中央鳍/对鳍）模式。该研究主要通过观察和分析魔鬼鱼背鳍推进模式的游动特点，进行抽象和简化，以背鳍/臀鳍波动运动为原型建立运动学模型，并研究相关运动学参数对鱼类推进性能的影响，未设计实验样机进行相关理论的实验验证。 2006年国防科技大学的谢海滨12等人，根据模块化设计的基本思想，设计了多波动鳍推进的仿生水下机器人，如图1-1所示，该研究通过实验证明了多鳍协同波动可有效的提高水下机器人游动的稳定性能。园促停9伊图1-1多波动鳍仿生水下机器鱼 -2- 万方数据

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内仿生鱼研究现状自然界鱼类种群分类有多种，目前，仿生学研究者主要依据鱼类产生推进力的具体部位和特点对鱼类进行分类，可分为两种：BCF 模式（Body and Caudal Fin, 身体/尾鳍模式）和 MPF 模式（Median and/or Paired Fin, 中央鳍/对鳍模式）[9,10]。这两种模式的区别在于鱼类产生动力的部位不同，BCF 模式鱼类游动的推进力主要来源于身体或者尾鳍的摆动，如鲹科、鲔科模式等；MPF 模式鱼类游动的推进力主要来源于成对的胸鳍或者背鳍的运动，其他部位的鱼鳍只起辅助作用，保证鱼体游动的稳定性等。本文的研究对象为鳐鱼，该种鱼按推进力产生的具体部位分类属于中央鳍/对鳍模式鱼类。考虑到两种不同模式鱼类研究内容的差异，本章主要介绍关于中央鳍/对鳍模式鱼类的研究现状。国内比较早开始以中央鳍/对鳍模式鱼类作为研究对象进行研究的机构主要有国防科技大学、北京航空航天大学等高校。 2005 年，国防科技大学李非[11]等以尼罗河魔鬼鱼为研究对象，进行了仿生学研究。该研究对象尼罗河魔鬼鱼属弓鳍目或鳞鲀科鱼类，主要依靠鱼体上背鳍或者臀鳍的运动产生推进力，按推进模式分类属于 MPF（中央鳍/对鳍）模式。该研究主要通过观察和分析魔鬼鱼背鳍推进模式的游动特点，进行抽象和简化，以背鳍/臀鳍波动运动为原型建立运动学模型，并研究相关运动学参数对鱼类推进性能的影响,未设计实验样机进行相关理论的实验验证。 2006 年国防科技大学的谢海滨[12]等人，根据模块化设计的基本思想，设计了多波动鳍推进的仿生水下机器人，如图 1-1 所示，该研究通过实验证明了多鳍协同波动可有效的提高水下机器人游动的稳定性能。图 1-1 多波动鳍仿生水下机器鱼万方数据