内外流共同作用下输流软管力学特性研究

深海扬矿系统周围海流和内部提升矿浆的流动会对输流软管产生流-固耦合作用力,建立包括输流软管、内部矿浆和外部海流在内的三维流-固耦合模型,分析在内、外部流体共同作用下输流软管的空间变形及软管中的应力分布。研究表明:输流软管的最大横向位移随着内流速度和密度的增大而减小;最大主应力随着内流速度的增大,先减小后增大,随着内流密度的增大而增大;输流软管的最大横向位移和最大主应力随着外流速度的增大而增大。为了保证输流软管在工作中有着相对稳定的构型,确保深海采矿系统能够安全高效地运行,输流软管中内流速度和密度都应保持在合理的变化范围,并且输流软管更适合在海流速度低于0.3 m/s的海洋环境中工作。

基于输流软管驱动的仿水母动力学设计、仿真与实验

本文创新性地提出了一种基于输流软管变形驱动的新型仿水母机器人设计.当弯曲初始构型的软管输送流体时会产生较大的变形,在流速为零时软管便会恢复到初始构型,通过利用软管周期性的变形-恢复原理达到驱动目的.首先,基于绝对节点坐标法建立了输流软管的非线性动力学理论模型,通过动力学分析确定了在较小流速下产生较大变形的软管构型设计.然后,按照该弯曲初始构型制作了仿水母软体触手,并在水中开展了不同流速下的变形-恢复实验研究,与理论模型预测结果进行了对比.此外,发展了结构变形与流体动力学耦合的仿真方法,探究了仿水母机器人的内部流速和触手个数对作用在触手上的流体力的影响规律.研究表明,内流速越大,触手变形也越大,触手摆动频率降低,但最大流体力逐渐增大;在内流速相同的情况下,触手个数对单个触手变形产生的最大流体力没有影响.最后,通过3D打印制作了头部和三通接头,与软体触手共同组成仿水母机器人,在水下进一步开展了推进实验研究.实验表明,随着电压(内部流速)的增大,软体触手变形越大,推进速度也越大;相比于喷水推进模式,通过利用软体触手变形可提高28%的推进速度.本研究为水下仿生机器人驱动方式提供了一种新的设计策略.