鳗鲡科鱼类变刚度特性对推进性能影响研究

生物学研究表明,波动推进鱼类的鱼体刚度对其推进性能有着重要影响,通过改变鱼体刚度可获得优异的游动特性,但鱼类肌肉驱动模式与鱼体刚度和游动性能的关系尚不清晰.鉴于此,文章以鳗鲡科鱼类作为研究对象,基于黏弹性梁理论和Taylor流体理论,建立由生物学钙离子肌肉驱动的鳗鲡科鱼类游动模型,研究肌肉驱动和鱼体刚度变化对推进性能的影响.结果表明,肌肉驱动力随刚度增加呈先快速增加后缓慢下降的变化趋势,而随着肌肉驱动力增加,鱼体游动速度随刚度增加而增加并逐渐趋于稳定.当肌肉驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时,游动速度和启动加速度可分别提升55%和129%,可见增大鱼体刚度可显著提升推进性能.为了验证上述结论,设计了基于串并联结构的变刚度实验平台,实验表明鱼体的变刚度特性能显著提升推进性能.当舵机驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时,通过统一变化弹簧刚度大小推力可提升2.5倍.上述研究结果可为改变鱼体刚度提升游动性能提供参数设计指导,为研制变刚度仿生机器鱼提供理论依据.

柔性机器鱼的动力学建模及其游动性能分析

生物学研究表明,当鱼类尾鳍的摆动频率与其固有频率接近时,可获得快速高效的游动性能,而固有频率又与鱼体本身的黏弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂关系。根据Lighthill细长体理论,通过建立柔性机器鱼的动力学模型,求解其在流体环境中的固有频率,并结合鳕鱼的生物学数据,进一步分析了在"谐振"状态下机器鱼动力学参数与游动性能之间的关系。结果表明,机器鱼的共振频率是由鱼体本身和周围流体来共同决定的,鱼体摆动长度越长,截面尺寸越小,对应的共振频率越小。同时发现当鱼体波波速或滑移率不变时,鱼体游动速度与其共振频率成正比。上述结论均与现有生物学数据相吻合。总体上,该研究从柔性机器鱼的动力学出发,初步探索了鱼体动力学参数与其游动性能之间的关系。

基于水平集和浸入边界方法的鳗鲡科鱼类游动模拟研究

在自然界中,85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动,在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能,而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法(level-setmethod)描述鱼类复杂的几何外形,并将水平集方法和浸入边界法(immersedboundarymethod)相结合模拟柔性鱼体与流体间的相互作用力,研究鳗鲡科鱼类摆动曲线参数以及流体雷诺数对游动性能的影响。结果表明:鳗鲡科鱼类可通过增大摆动幅值来获得快速游动速度,但功率消耗会明显增大;同时会选择合适的鱼体波波数来获得最优游动性能。上述研究结论与鱼类在自然界中的实验观测相吻合。最后,通过设置不同的鱼类外形和鱼类的摆动曲线,发现鱼类游动性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配,该研究为鱼类在自然界的优化选择提供了理论解释。

摆动推进鱼类鱼体波复模态分解及其特性分析

在自然界中,大多数鱼类通过身体和尾鳍的复合波动形成独特的鱼体波曲线,以获得其快速高效的游动性能。文中以鱼体波为研究对象,采用复模态正交分解(COD)方法来研究鱼体的复合波动模式。从振动模态的角度看,鱼类的游动是粘弹性鱼体在流体中的强迫振动,鱼体波对应的是复模态振型。根据COD方法,将鱼体波分解为纯行波和纯驻波两部分,并利用复模态振型实部和虚部的相关系数来定义鱼体波的行波系数。通过分析鳗鲡科乐锦鳚鱼和亚鲹科虹鳟鱼的鱼体波数据,得到对应鱼体波的行波系数分别为0.793和0.604。结果表明,乐锦鳚鱼的鱼体波中含有较大的行波成分,而虹鳟鱼鱼体波则含有较多的驻波成分。该结论从生物学上验证了鱼体波的复模态特性,该特性与鱼体动力学特性以及游动模式有着密切关系。

以工程项目为导向工科院校混合式教学的探索

工科院校承担着培养应用型工程技术人才的任务,而基于信息技术的混合式教学为当前课堂改革实践模式提供了一种新思路。该研究将课程分解为多个工程项目,详细阐释了混合式教学的课程设计体系,并对教学过程中实施新课程标准、教学内容改革、教学课程实践和课程课后评价四个方面的教学活动进行了说明,初步探索了以工程项目为导向的混合式教学模式,为后续教学改革提供了有益的探索。

基于CLSVOF-IB方法海洋管道流固耦合特性研究

本文利用CLSVOF-IB方法研究海洋管道所受的流体作用力及其涡激振动特性,其中CLSVOF(Coupled Level-Set and VOF)方法用来模拟海洋自由波面,浸入边界(immersed boundary,IB)方法用于模拟海洋管道与流体之间的相互作用力。计算结果表明,CLSVOF-IB方法能够准确分析海洋立管的流固耦合特性,可通过选择合适的管道直径和来流速度来解决管道的流致振动问题。此外通过改变流体傅汝德数(Fr数),结果还表明该数值方法能较好捕捉海洋管道与海洋自由波面的相互作用过程。

水下发射燃气射流特性及弹道影响研究综述

水下发射技术是实现深水武器系统高速机动的关键技术。由于深水环境流体密度大、背压高,水下发射尾气射流膨胀过程受到流体阻力,形成高温、高动压、气液多相混流等复杂流动现象。从水下超声速燃气射流不稳定性、过膨胀喷管流动分离、高温燃气与水传热相变、燃气射流与空泡流场耦合等方面,重点阐述水下发射复杂瞬态尾喷射流过程,并从推力稳定性和深水点火两方面论述射流特性对水中弹道的影响,展望了水下发射技术的发展趋势,旨在为水下发射技术的工程应用提供理论参考。

基于数字孪生技术的航空发动机虚拟装配教学探索与实践

数字孪生技术突破以往航空发动机设计理念和技术约束,以航空发动机数据和模型为基础,从数据孪生、模型孪生和过程孪生三个层次构建航空发动机装配理论体系,实现发动机装配数据传输和信息反馈。融合虚拟仿真技术,基于航空发动机物理样机构建虚拟装配样机,开展航空发动机虚拟装配和虚拟试车等实践教学,重点培养学生多学科协同设计能力和创新设计能力,提升航空发动机装配课程教学效果。

Variable stiffness design of redundantly actuated planar rotational parallel mechanisms

Redundantly actuated planar rotational parallel mechanisms（RAPRPMs） adapt to the requirements of robots under different working conditions by changing the antagonistic internal force to tune their stiffness.The geometrical parameters of the mechanism impact the performances of modulating stiffness.Analytical expressions relating stiffness and geometrical parameters of the mechanism were formulated to obtain the necessary conditions of variable stiffness.A novel method of variable stiffness design was presented to optimize the geometrical parameters of the mechanism.The stiffness variation with the internal force was maximized.The dynamic change of stiffness with the dynamic location of the mechanism was minimized,and the robustness of stiffness during the motion of the mechanism was ensured.This new approach to variable stiffness design can enable off-line planning of the internal force to avoid the difficulties of on-line control of the internal force.

张拉整体机器人关键技术研究进展

回顾了张拉整体机器人的特点,总结了现阶段张拉整体机器人典型样机的研制进展,从地面移动、空间探测和仿生领域3方面概述了张拉整体机器人的应用情况。从初始构型设计、初始预应力分析及稳定性判断、外荷载作用下型态分析、动力学特性及控制方法等方面,阐述了张拉整体机器人的关键技术;探讨了未来张拉整体机器人有待于进一步深入研究的技术难题。

水下航行体通气空化流动及其数值模拟研究

水下航行器大多采用人工通气的方法产生覆盖其表面的超空泡,实现不同航速下的高效减阻,但通气空化流动机理研究以及数值模拟方法尚不成熟。对此,结合通气空化流动现阶段研究成果,从空泡形态、空泡稳定性和空泡流动控制3个方面论述了实验研究进展;阐述了数值模拟通气空泡的3类方法;从湍流模型和空泡界面捕捉方式两个方面重点讨论了通气空泡数值模拟研究的关键技术。研究表明,提高空泡稳定性和调控能力、研究多相可压空化流数值模拟方法以及小尺度空化流动微观物理机制将成为未来研究的方向,为后续通气空化流动研究以及水下超高速导弹研制提供参考。