仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72 mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3 Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6 N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。

尾鳍摆动驱动仿生机器鱼的水动力性能仿真分析

本文以鲣鱼为仿生对象,根据鱼体形态特征建立单关节和三关节尾鳍机器鱼三维模型和二维仿真模型,基于大幅值细长体理论,建立了两种不同尾鳍摆动形式机器鱼的运动学模型,并根据运动方程编写UDF程序,采用动网格技术定义动边界条件,实现了机器鱼自主游动,并模拟计算了两种尾鳍摆动模式的机器鱼在特定流场下的流场压力及鱼体受力等水动力性能。结果表明,与单关节尾鳍机器鱼相比,三关节尾鳍机器鱼自主游动时流场最大压差减小了13.3%,侧向力幅值减小了52.0%,表明三关节尾鳍机器鱼巡游时更加符合真实鱼游动姿态,具有较大的推进力和较优的平衡性。