第1章绪论 目前可用于智能材料与结构系统中的驱动器材料主要有形状记忆合金 (Shape Memory Alloy)、压电陶瓷、电（磁）致仲缩材料、电（磁）流变体等。其中SMA 出于驱动作用显著、性能较稳定等特点，成为智能材料与结构中研究最多的驱动 元件之一。目前有关智能材料与结构技术的研究工作正在世界范围内迅速展开， 尤其在美、日及欧洲发达国家更是给予了高度重视。 1.2本文的研究意义及主要的研究工作 在过去的一个多世纪里，海洋世界里发生最大的变化莫过于水下推进器的诞 生和发展，导致整个海洋中处于20Hz一300Hz范围内的背景噪声大部分是人类 4 推进器产生的。传统推进器消耗高，污染大，严重破坏了水中生物的生存环境。 当前，已经有越来越多的研究人员开始注重对环境的保护，对水下推进器的研究 已逐渐从传统的电机驱动向智能材料驱动转变。 我们放限海洋，鱼类在水中游动时，能本能的利用流体力学原理，减小流体 阻力和提高推力。十几亿年的进化造就了完美的运动方式，其超凡的水中运动能 力为各式现代化的水面舰船和水下航行器所望尘莫及。大约有85%的鱼类利用身 体的摆动（或波动）来产生巡游的推进力(BC℉模式)、利用鱼鳍的波动（或摆动）来 产生转弯等机动游的驱动力(MP℉模式)。鱼类在水中表现出惊人的机动性 和巡游速度，使得人们更加倾向于研究鱼游机理，根据鱼类形态、生理结构以及 游动的动力学和运动学方程来设计仿鱼形水下推进器。用来帮助人们更好地了解 水下未知世界，丌发水下环境资源，进行石油勘测或军事侦察等。出于MP℉模 式运动的复杂性，要较好的模拟其游动姿念用电机作为驱动源是比较困难的。形 状记忆合金以其优越的综合性能成为研究的首选材料。 随着仿生学和机器人学的不断进步，研究仿鱼水下推进技术己成为热点之 一，它为研制高效、高机动性、低噪声和易隐蔽的水下航行器提供了一种新的思 路。本文介绍一种使用形状记忆合金薄板作为鳍条的柔性仿生鱼鳍，利用SMA的 形状记忆效应可以实现结构的变形控制。 本文对基于形状记忆合金材料驱动的柔性仿尘波动鱼鳍研究进行探讨，试图 在驱动机理和方式上提高仿生程度。主要内容包括：在对目前常见的智能材料性 能比较的前提下，设计了形状记忆合金柔性仿生波动鱼鳍，指出若干关键设计要 点、难点以及相应的处理方法；通过对仿生鱼鳍的运动学和动力学的数学建模和 分析，得出形状记忆合金鳍条驱动部位变形曲率与端部位移量关系、变形曲率与 反馈（应变片输出电匹）信号大小关系和每根鳍条所需提供的最大输出力计算。最 后通过实验给出了形状记忆合金鳍条的最大输出力与鳍条厚度的关系，形状记忆 2第1苹绪论 目自仃可用于智能材料与结构系统中的驱动器材料主要有形状记忆合金 (Shape MemoryAlloy)、压电陶瓷、电(磁)致伸缩材料、电(磁)流变体等。其中SMA 由于驱动作用显著、性能较稳定等特点，成为智能材料与结构中研究最多的驱动 元件之一。目前有关智能材料与结构技术的研究工作正在世界范围内迅速展开， 尤其在美、同及欧洲发达国家更是给予了高度重视。 1．2本文的研究意义及主要的研究工作 在过去的一个多世纪罩，海洋世界里发生最大的变化莫过于水下推进器的诞 生和发展，导致整个海洋中处于20Hz--300Hz范围内的背景噪声大部分是人类 推进器产生的～。传统推进器消耗高，污染大，严重破坏了水中生物的生存环境。 当前，已经有越来越多的研究人员开始注重对环境的保护，对水下推进器的研究 已逐渐从传统的电机驱动向智能材料驱动转变。 我们放眼海洋，鱼类在水中游动时，能本能的利用流体力学原理，减小流体 阻力和提高推力。十几亿年的进化造就了完美的运动方式，其超凡的水中运动能 力为各式现代化的水面舰船和水下航行器所望尘莫及。大约有85％的鱼类利用身 体的摆动(或波动)来产生巡游的推进力(BCF模式)、利用鱼鳍的波动(或摆动)来 产生转弯等机动游的驱动力(MPF模式)…’。鱼类在水中表现出惊人的机动性 和巡游速度，使得人们更加倾向于研究鱼游机理，根据鱼类形态、生理结构以及 游动的动力学和运动学方程来设计仿鱼形水下推进器。用柬帮助人们更好地了解 水下未知世界，丌发水下环境资源，进行石油勘测或军事侦察等。由于MPF模 式运动的复杂性，要较好的模拟其游动姿态用电机作为驱动源是比较困难的。形 状记忆合金以其优越的综合性能成为研究的首选材料～。 随着仿生学和机器人学的不断进步，研究仿鱼水下推进技术己成为热点之 一，它为研制高效、高机动性、低噪声和易隐蔽的水下航行器提供了一种新的思 路。本文介绍一种使用形状记忆合金薄板作为鳍条的柔性仿生鱼鳍，利用SMA的 形状记忆效应可以实现结构的变形控制。 本文对基于形状记忆合金材料驱动的柔性仿生波动鱼鳍研究进行探讨，试图 在驱动机理和方式上提高仿生程度。主要内容包括：在对目前常见的智能材料性 能比较的前提下，设计了形状记忆合金柔性仿生波动鱼鳍，指出若干关键设计要 点、难点以及相应的处理方法；通过对仿生鱼鳍的运动学和动力学的数学建模和 分析，得出形状记忆合金鳍条驱动部位变形曲率与端部位移量关系、变形曲率与 反馈(应变片输出电压)信号大小关系和每根鳍条所需提供的最大输出力计算。最 后通过实验给出了形状记忆合金鳍条的最大输出力与鳍条厚度的关系、形状记忆 2