基于MFC的复合型仿生鱼尾的振动性能

为了研制水下航行器来进行海洋探测,早期的研究以AUV为主,随着仿生学的出现,仿生水下推进器开始被研究,仿生鱼成为被研究的对象。为克服目前仿生鱼的固有缺陷,提出了一种复合型仿生鱼尾方案,选用驱动和基板材料分别为粗压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)和特制的玻璃纤维增强型复合材料,两种各向异性材料结合能使鱼尾像鱼一样产生各种复杂的动作。首先,制备玻璃纤维增强型复合材料,并测量材料的性能;其次,搭建了实验系统进行鱼尾振动性能测试。实验发现,当施加峰峰值电压为700V、频率为9Hz时,末端最大弯曲位移为7.122mm,摆动角度达到28.37°。

柔性复合型仿生鱼尾的设计与实验

基于粗压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)的特性,设计了一种柔性复合型仿生鱼尾及其驱动电源。采用有限元模拟和实验方法,研究仿生鱼尾的扭转运动模态以及实现仿生鱼尾的应用。仿真与性能测量结果表明:该柔性仿生鱼尾能够利用扭转振动模态模拟微型鱼的运动,最快游速达到320 mm/s。

基于均一化模型的MFC悬臂梁静态变形分析

采用基于平面应力假设和二维周期性位移场假设的均一化模型分析了P1型粗压电纤维复合材料(MFC)致动器的宏观性质,研究了该模型对于MFC悬臂梁静态变形分析的适用性。ANSYS仿真结果表明,该模型适用于分析MFC悬臂梁静态变形,采用该均一化模型与不采用均一化模型相比,悬臂梁挠度的相对误差不超过5.77%,且该均一化模型中压电应力矩阵的e32分量对梁挠度的影响(e32效应)为次要因素。在采用该均一化模型的基础上进一步忽略其e32效应与原均一化模型相比,粱挠度的相对误差不超过1.36%。

弹性模量对柔性仿生鱼尾振动行为的影响

针对采用各向同性材料为基板的仿生鱼尾刚度大、变形小的情况,研究基板材料弹性模量对于柔性复合型仿生鱼尾振动行为的影响。首先,通过使用粗压电纤维复合材料（macro fiber composite,简称MFC）作为驱动器,设计了一种柔性仿生鱼尾结构,运用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了具有相同泊松比和密度的基体材料在不同弹性模量下的鱼尾振动情况,得出鱼尾摆动位移与弹性模量间的极值关系;然后,对比此种弹性模量下各向同性材料与各向异性材料,得到各向异性材料适合作为基体材料的结论;最后,根据仿真结果制备出各向异性基体材料,与MFC相结合得到柔性鱼尾,再对其进行振动性能测试实验。实验结果验证了数学模型的合理性及设计的可行性。