机器海豚出水运动模拟及其换能机制研究

发布时间：2017-11-02 12:33

  本文关键词：机器海豚出水运动模拟及其换能机制研究

  更多相关文章： 机器海豚 游动性能 出水运动 换能机制

【摘要】：由于海豚具有游动速度快、效率高且能跃出水面等超凡的运动能力,因而成为学者们重点关注的仿生对象。然而,目前海豚的出水运动机理尚未揭示清楚,因而制约着可实现较高出水能力的机器海豚的研制,同时现有仿生机器鱼仍基本局限于水下游动,尚不具备较好出水运动的能力。因此,本文将开展机器海豚出水运动机理的动力学模拟及其换能机制研究,为进一步开发机器海豚提供理论依据,以期拓展机器鱼的运动空间。首先,通过分析机器海豚出水过程的运动学模型和受力情况,建立了机器海豚出水运动的动力学模型,同时考虑海豚与流体之间的相互作用,提出了机器海豚出水运动的数值求解方法。其次,对金枪鱼和海豚从形态学、运动学方面进行了全面的对比分析,并通过对金枪鱼和海豚水下游动的三维数值模拟,对比分析了金枪鱼和海豚在不同条件下的水下游动性能,得知海豚拥有更高的游动效率。再次,利用提出的机器海豚出水运动的数值求解方法,结合海豚出水的运动学和动力学模型,对机器海豚出水运动全过程进行了三维数值模拟,获得了机器海豚出水运动全过程中的位移、速度、作用力以及外力矩的时间历程变化规律以及不同时刻的相图和压力云图,并探讨了机器海豚出水运动性能与出水运动角度和摆动频率的关系,得知海豚出水运动高度随着出水运动角度的增大而增大,随着摆动频率的增大而增大。最后,通过建立海豚出水运动过程中的能量变化函数,分析了机器海豚出水运动全过程中机器海豚的动能、重力势能以及获得和消耗的总能量随时间变化的情况,建立出水运动效率评价函数,并通过分析比较得知,机器海豚出水运动效率随着出水运动角度的增大而增大,随着摆动频率的增大而增大。本文完成的机器海豚出水运动过程的动力学模拟和换能机制研究,拓宽了现有仿生推进机理的研究领域,为现有机器鱼进一步实现出水运动提供了理论可能。通过对本文研究工作的进一步拓展和深入,将对今后开发可实现出水运动的其他水下运载器和近水面武器系统提供坚实的理论依据和关键技术。
【关键词】：机器海豚 游动性能 出水运动 换能机制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TB17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究的背景与意义9
• 1.2 鱼类推进模式的分类和特点9-10
• 1.3 数值模拟的研究现状10-11
• 1.3.1 仿生推进数值模拟方面10-11
• 1.3.2 出水运动数值模拟方面11
• 1.4 仿生机器人的国内外研究现状11-15
• 1.4.1 仿生机器鱼的国内外研究现状11-13
• 1.4.2 仿生机器海豚的国内外研究现状13-15
• 1.5 本文的主要研究内容15-17
• 第二章 机器海豚出水运动的数值求解方法17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 机器海豚出水运动的动力学建模17-19
• 2.2.1 坐标系的定义17-18
• 2.2.2 机器海豚的动力学方程18-19
• 2.3 计算流体力学数值方法19-22
• 2.3.1 控制方程及其离散方法19-20
• 2.3.2 动网格技术20-21
• 2.3.3 网格划分与网格质量控制21-22
• 2.3.4 初始条件和边界条件22
• 2.4 机器海豚出水运动的数值求解方法与过程22-24
• 2.5 出水运动数值求解方法的验证24-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第三章 机器海豚等鲔科鱼类水下游动性能的对比28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 金枪鱼与海豚形态学的对比28-29
• 3.3 金枪鱼与海豚运动学的对比29-31
• 3.4 相同形态学、不同运动学下的水下游动性能对比31-34
• 3.4.1 金枪鱼在不同运动学条件下的水下游动性能对比31-33
• 3.4.2 海豚在不同运动学条件下的水下游动性能对比33-34
• 3.5 相同运动学、不同形态学下的水下游动性能对比34-37
• 3.5.1 金枪鱼和海豚在金枪鱼运动学条件下的水下游动性能对比34-35
• 3.5.2 金枪鱼和海豚在海豚运动学条件下的水下游动性能对比35-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第四章 机器海豚出水运动的数值模拟研究38-49
• 4.1 引言38
• 4.2 机器海豚出水运动的运动学建模38-39
• 4.3 机器海豚出水运动的时间历程分析39-46
• 4.3.1 机器海豚出水运动的位移分析39-40
• 4.3.2 机器海豚出水运动的作用力和速度分析40-42
• 4.3.3 机器海豚出水运动的外力矩分析42-43
• 4.3.4 机器海豚出水运动全过程的相图和压力云图分析43-46
• 4.4 机器海豚出水运动的规律46-48
• 4.4.1 机器海豚出水运动角度对出水运动速度的影响46-47
• 4.4.2 机器海豚摆动频率对出水运动速度的影响47
• 4.4.3 机器海豚出水运动角度和摆动频率对出水运动最大高度的影响47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 机器海豚出水运动的换能机制研究49-57
• 5.1 引言49
• 5.2 机器海豚出水运动过程中的能量变化函数49-51
• 5.2.1 机器海豚的动能函数49
• 5.2.2 机器海豚的重力势能函数49-51
• 5.2.3 机器海豚获得的总能量函数51
• 5.2.4 机器海豚消耗的总能量函数51
• 5.3 机器海豚出水运动过程中能量的时间历程51-54
• 5.3.1 海豚动能变化的时间历程51-52
• 5.3.2 机器海豚重力势能变化的时间历程52-53
• 5.3.3 机器海豚获得的总能量变化的时间历程53-54
• 5.3.4 机器海豚消耗的总能量变化的时间历程54
• 5.4 机器海豚出水运动过程中的能量和效率规律54-56
• 5.4.1 机器海豚出水运动的效率评价函数54
• 5.4.2 机器海豚出水运动过程中消耗的最大总能量规律54-55
• 5.4.3 机器海豚出水运动过程中获得的最大总能量规律55-56
• 5.4.4 机器海豚出水运动过程中的出水运动效率规律56
• 5.5 本章小结56-57
• 第六章 总结与展望57-59
• 6.1 全文总结57-58
• 6.2 研究展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 作者简介63
• 攻读硕士学位期间发表的论文63

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王帅;刘涛;张文忠;;水下运载器调节索抗流功能的数值计算与分析[J];船舶力学;2012年07期

2 崔乃刚;白瑜亮;常亚武;王小刚;许江涛;;基于非线性动态逆的水下运载器控制方法研究[J];兵工学报;2013年04期

3 白瑜亮;崔乃刚;吕世良;;水下运载器纵向轨迹自适应跟踪控制[J];光学精密工程;2013年07期

4 连琏,顾云冠;海况对水下运载器吊放回收的影响[J];海洋工程;1996年01期

5 Cheng Chin;Michael Lau;;复杂形体远程操控水下运载器水动力阻尼模型建模和检验(英文)[J];Journal of Marine Science and Application;2012年02期

6 刘文;;水下运载器控制器设计[J];机电技术;2010年01期

7 连仑;吴忠;;基于控制力矩陀螺的水下运载器动力学与仿真[J];北京航空航天大学学报;2010年09期

8 徐锋;邹早建;宋鑫;;基于支持向量机的水下运载器平面操纵运动建模[J];上海交通大学学报;2012年03期

9 白瑜亮;崔乃刚;郭继峰;许江涛;;基于隐式增量动态逆的水下运载器出水姿态控制[J];兵工学报;2013年07期

10 郭福涛;;潜射“飞鱼”SM39近况综述[J];飞航导弹;1987年01期

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 陈宇;Gavia:俄打造新一代“水下杀手”[N];中国国防报;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 牛峻峰;基于小波的某水下运载器振动信号的分析研究[D];中北大学;2009年

2 李晓东;水下运载器小范围高精度组合导航系统研究[D];浙江大学;2016年

3 曹渝华;机器海豚出水运动模拟及其换能机制研究[D];东南大学;2015年

4 佟晓霞;某水下运载器机械振动信号的分析方法研究[D];中北大学;2009年

5 张浩;水下运载器参数辨识与控制方法研究[D];西北工业大学;2006年

6 王帅;水下运载器总体优化与自平衡控制技术研究[D];中国舰船研究院;2012年

7 伍小明;水下运载器运动跟踪控制[D];福州大学;2010年

8 张伟;一种小型水下运载器控制技术研究[D];中国舰船研究院;2014年

9 胡海龙;无动力水下运载器的动力学建模与仿真分析[D];哈尔滨工业大学;2010年

10 张蕊;水下运载器惯性测量数据解算及误差分析[D];西北工业大学;2005年

，

本文编号：1131609