仿生鳍形状与运动模式对推进性能的影响

为探究仿生鳍形状与其运动模式间的内在关系,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩NAVIER-STOKES方程和连续性方程。分析相同运动学参数和面积时,菱形、正方形、长方形和三角形4种形状仿生鳍在波动和摆动2种运动模式下产生的推进力大小;从压力分布、涡街结构等方面给出差异存在的原因,并找出鳍面形状和推进模式之间的内在联系。结果显示:相同运动学参数和鳍面形状时,不同推进模式产生的推进力存在较大差异;同样,相同运动学参数和推进模式时,鳍面形状对推进力也有较大影响。该研究为仿鱼推进器选择合适的鳍面形状和匹配的推进模式以实现较优推进性能提供参考。

仿生鳍条姿态测量及其误差分析

仿生鳍条是仿生机器鱼的核心运动机构,为提高其运动控制精度,针对其轻巧、微小的结构特点,设计了以质量轻、体积小、精度高的MEMS陀螺仪ADXRS290和ADXRS453为核心的仿生鳍条姿态测量系统,可实现仿生鳍条偏航角、俯仰角和滚转角的实时测量;针对仿生鳍条姿态测量中随机误差较大的特点,给出了一种以Allan方差为主的姿态测量误差算法,然后通过实验采集测量数据,定量分析了各运动姿态误差项;实验结果表明,角速率随机游走和零偏不稳定性是姿态测量的主要误差项,在后续误差处理中做针对性处理能提高姿态测量精度,对提高仿生鳍条运动效率有很大的意义。

线翎电鳗仿生鳍水动特性研究与试验测试

以线翎电鳗为仿生对象,设计一款鳍条驱动的波动长鳍,建立其运动学模型,采用SST k-ω湍流模型对三维非定常不可压缩流体的N-S方程进行求解,研究波动鳍的水动特性并分析波动鳍摆动角度、摆动频率等运动参数对波动鳍推进性能的影响。针对波动鳍需要经常贴近水底工作的情况,研究波动鳍与底面距离的变化对推进性能的影响。研究表明:在波动鳍运动时,鳍面两侧形成较为明显的反卡门涡街,从而在波动鳍的尾部形成一股射流,产生向前的推力;波动鳍的推力和横向力都随着摆动角度、摆动频率的增加而增加,但在一个时间周期内,推力的波动次数大约是横向力的2倍;波动鳍与底面距离的变化对波动鳍的推力影响很小,但当波动鳍与底面距离小于波动鳍宽度的1/5时,波动鳍的横向力明显增大。通过试验验证了数值模拟结果的正确性与合理性,该研究可为高性能波动鳍推进器的设计提供理论依据。

基于仿生理论的船舶双尾鳍设计优化

运输类船舶货载量较大,需要提升船舶稳定性与航行效率,因此设计了基于仿生理论的船舶外部造型设计优化方法。以鲸鱼鳍作为仿生对象,利用CATIA三维建模软件构建仿生鲸鱼鳍的几何模型,以该模型为基础计算仿生鱼鳍的运动学特性,以此模拟出应用在船舶的运动特性,确定该特性后,使用扩散光顺方法和局部网格重构方法实现仿生鲸鱼鳍模型的网格划分,将该仿生鲸鱼鳍应用于船舶实现船舶外部造型设计优化。试验结果显示,经过优化后的船舶外部造型兴波阻力与综合阻力更小,航行速度更快,即使在高载货量下依旧具有较为理想的稳定性,船舶外部造型设计优化效果较好。

仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较

依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。

仿生鱼鳍运动仿真分析及试验研究

仿生水下推进技术的研究日益受到科研工作者的青睐,尤其是仿生机器鱼的研究日益引起关注。在对柔性长鳍波动推进模型研究的基础上,提出一种尾鳍摆动与长鳍波动组合推进的模型,目的是为了提高已有柔性长鳍波动模型的推进性能。对柔性长鳍波动推进模型和组合推进模型进行介绍,着重利用计算流体动力学方法分别对刚性尾鳍摆动模型和柔性长鳍波动模型进行二维数值计算,并对仿真结果进行对比和分析,对模型进行简易流场显示试验,为进一步研究组合鳍的推进特性奠定了基础,同时便于和今后模型的试验数据进行对比分析。

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化.基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍.介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路.重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律.将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性.通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的.

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理.为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差.给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态.最后,通过实验验证了理论推导的正确性.

仿生波动鳍的试验研究

波动鳍是某些MPF鱼类的重要推进器,它通过在水中的波动来产生推进和机动所需的操控力和操控力矩.通过观察可知,波动鳍具有非常优秀的低速稳定和机动性能,可作为传统水下推进器的一种有益补充.该文从波动鳍的推进机理出发,设计了一种仿生波动鳍试验装置,该装置采用"鳍条-柔性蹼"结构,由9根鳍条组成,且每根鳍条均由一个舵机进行独立控制.针对载体推进速度与仿生波动鳍的波频、波幅、波长和波传播方向的关系开展了水池试验研究.试验结果表明,通过对仿生波动鳍的波动进行控制,能够使载体实现灵活的正逆向推进,且不同的波动参数对推进速度和推进效率有较大影响.

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80ms时达到最大值180mN。

鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究

仿生波动鳍的鳍条运动模式分为等幅和变幅两种类型,通过实验发现这2种鳍条运动模式下所产生的游动性能存在着较大的差异.为了揭示这种差异存在的内在缘由,建立基于鳍条这2种运动模式的仿生波动鳍运动学方程.利用计算流体动力学原理,比较不同运动学参数下2种运动模式鳍面压力分布情况,分别给出2种模式下波动鳍产生的无量纲阻力系数随时间的变化情况以及无量纲阻力系数时间平均值随频率、摆幅和波长的变化规律,给出鱼鳍模型中部沿鳍条方向切面的速度场和压力场.结果表明:2种模式下产生的推进力均随频率、摆幅和波长的增大而增加,但等幅摆动产生的推进力始终小于变幅摆动;2种模式下模型中部切面的速度场和压力场存在明显的差异,而尾迹二维涡量场结构和分布形态十分相似,说明影响2种模式游动效果的主要原因之一来自于沿鳍条方向的差异.结论进一步阐述了依赖鱼鳍波动推进的水生生物体高效游动的本质,也为研制高性能的仿鱼鳍波动推进装置提供了参考.

基于仿生鳍的两栖驱动机构运动分析

为证实一种新型两栖驱动机构合理,并为之后研究提供基础,通过运用有限体积法,将柔性三维薄板视为仿生鳍鳍进行模拟分析,在水下环境中具体研究了振幅、周期等参数对仿生鳍运动的影响并分析推进原理,发现仿生鳍运动模式与马陆倍足运动方式基本一致。陆地上的研究通过建立运动学、动力学方程进行分析。结果表明,在水下仿生鳍单参数变量为振幅时主要影响运动的最大速度,与速度呈正比关系;为周期时影响加速度,与之呈正比关系;而推进效果是由仿生鳍两侧高、低压中心产生的正压梯度所提供。在陆地上仿生鳍的约束力足以提供运动所需驱动摩擦力,从而证明仿生鳍不仅可在水中进行巡游,而且通过调整结构姿态可实现在陆地的运动,由一套驱动机构实现了两栖运动功能。

仿生鱼鳍单元设计及运动仿真分析

利用电机-凸轮-滑块-曲柄机构,设计了一款仿生鱼鳍单元。对仿生鱼鳍单元的运动学进行分析,建立了凸轮运动参数与鳍条运动参数之间的关系。结合Adams仿真软件,分析凸轮角速度分别为π/6和2π/3 rad·s^(-1)时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化。结果显示:鳍条角位移、角速度和角加速度曲线均呈现等频率波动规律,但鳍条角加速度时间曲线相对零位呈现小幅度的不对称性;随着电机转速增加,鳍条角位移、角速度和角加速度的变化频率增大,幅值也随之增大。上述运动特征与生物鱼鳍的运动规律相符,该仿生鱼鳍单元结构设计为进一步研制仿生鳍推进器提供参考。

柔性仿生鱼鳍中形状记忆合金鳍条的优化设计

介绍一种使用形状记忆合金(SMA)薄板作为鳍条的柔性仿生鱼鳍设计。SMA鳍条的尺寸参数(特别是厚度)对仿生鱼鳍的工作性能(驱动力、变形量和响应频率等)有很大的影响,本文计算了鳍条上的外界阻力大小;根据力矩平衡原理,计算了SMA鳍条克服外界阻力所需的驱动力;由实验给出了SMA鳍条最大输出力和其厚度的关系,以及平均应变和其厚度的关系;最后得出了形状记忆合金鳍条的重要尺寸参数(厚度)的优化取值。

仿生类鱼鳍翼力学性能的数值研究

为了研究仿生类鱼鳍翼的流动控制机理,通过数值求解不可压缩流动非定常N-S方程,对类鱼鳍翼和传统机翼在不同运动方式下的力学性能和流动机理进行对比分析.研究结果表明:与传统翼相比,尽管在来流中静止的仿生类鱼鳍翼会增加阻力,但其在做拍动运动时产生的复杂涡系可以改善压强分布,增强前缘吸力,提高推力.

仿生柔性鳍波动推进水动力性能试验

仿生柔性鳍波动推进作为一种新型的水下航行器技术,具有操作性能优异、隐蔽性强、水动力性能强等优点。为探索仿生柔性鳍波动推进的水动力性能,设计并搭建了一款新型仿生柔性鳍试验机构,采用舵机-摆杆-波动鳍的传动方式,解决了机械结构和运动控制问题;从力学和流场对仿生柔性鳍的水动力性能进行试验验证。为仿生柔性鳍的深入研究提供了实验支撑,有利于开发研制高效、稳定、隐蔽的新型水下航行器。

仿生机器鱼鳍波动推进速度的理论分析和实验测试

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的稳定性和机动性,该文选择了典型的依靠胸鳍波状运动产生推进力的蓝点魟为仿生对象,对胸鳍的结构进行简化,并基于这种简化模型设计了仿生波动鳍推进装置。详细介绍了该装置的机械结构和控制电路,通过理论计算和实验测试相结合的方法,全面分析了影响仿生机器鱼鳍推进器波动游动速度的各种因素,包括:波动频率及摆幅和波长等运动学参数、鳍面面积、流体介质密度及仿生鳍的重量等,揭示了各因素的影响规律。通过研究发现:仿生波动鳍推进速度基本上随着波动频率、摆幅和波长等运动学参数的增加而增大;随着鳍面面积或流体介质密度的增大,相同运动学参数下推进速度亦明显加快;此外,推进速度随着该仿生鳍的重量增加而略有降低。

变电站油泄漏三级监控系统的研制与应用

当前,由于主变事故油池容量不足、雨水管路直接外排、漏油人工监测和控制缺乏等原因,变电站设备漏油后不能被及时发现并得到有效控制,导致漏油事件极易转为恶劣的环境污染事件。针对该隐患,本文广泛应用物联网、通信技术、智慧传感技术,首创构建一套技术简单可靠、业务高度融合、可推广应用的变电站油泄漏三级监控系统。通过研制仿生鳍减摇结构的智能漏油监测装置,对变压器进行事故排油系统、雨水系统、运行环境的多维度实时监测,采用自动蝶阀与监测装置实时联动,实现变电站漏油智能控制,杜绝发生因变电站设备漏油外排导致的环境污染事件。

基于CPG模型的推进器运动控制方法

为了生成仿生长鳍波动推进器的多种运动模式,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)模型的运动控制方法.利用改进的Matsuoka振荡器,建立了一个含有10个神经振荡器的CPG模型,通过调节CPG模型的输入参数协调控制推进器各鳍条的摆动,得到多种运动模式,基于CPG模型建立了长鳍波动推进器的运动控制器.通过在FPGA中实现CPG控制器,实现长鳍波动推进器的实时在线控制.通过推进器的游动实验,验证了控制器的有效性.