仿海龟水翼推进性能分析

发布时间：2017-06-02 02:15

  本文关键词：仿海龟水翼推进性能分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：仿生推进是有别于传统螺旋桨推进的新型推进方法，为丰富水下航行器推进方式提供了新思路。海龟水翼推进运动方式独特，多肢协同姿态控制形式多样，研究海龟水翼法仿生推进技术，对探索水下新型驱动方式，丰富和完善水下推进技术具有重要意义和实用价值。本文从仿生水翼运动模式规划，仿生水翼推进性能分析及仿生水翼非定常流场数值模拟三方面进行了水翼法仿生推进技术的相关研究工作。 根据海龟水翼运动监测结果及海龟活体实验研究结果，从外部形态、肢体构造及运动特性等方面对海龟进行仿生研究。拟合仿生翼肢轮廓曲线，求解仿生翼肢的平均弦长和展弦比等几何特性参数。从水翼末端轨迹特征和挥拍旋转时间比两方面研究海龟水翼运动特性，为规划水翼法仿生推进装置的运动参数提供仿生依据。 基于仿生水翼“位旋”、“拍旋”二自由度推进装置，建立“位旋”、“拍旋”交替的分段运动模式下仿生水翼的运动学模型。从水翼末端轨迹、周期推力、推进效率以及仿生机器人的运动特性等方面，计算分析分段运动模式下仿生水翼的推进性能。通过计算结果与仿生机器人水池实验结果对比，对本文的计算结果进行了验证。 针对仿生水翼采用分段模式二自由度交替运动时机构利用不充分、产生推力不连续的问题，，提出一种“拍旋”、“位旋”耦合的运动方法。将不产生有效推力的“位旋”融合于“拍旋”中，使仿生水翼推力连续变化。从平均推力、推进效率及仿生机器人的纵向运动特性等方面对比仿生水翼采用分段和耦合模式运动的推进性能，验证耦合运动模式的有效性。分析运动周期、“位旋”幅值等耦合运动参数的改变对仿生水翼末端轨迹、周期推力和推进效率等的影响，为优化仿生水翼耦合运动参数提供理论基础。 为了从流场变化的角度分析耦合运动仿生水翼产生推力的原因，对仿生水翼的非定常流场进行数值模拟，分析流场的压力分布和速度矢量分布的变化与仿生水翼推力变化的关系。提取仿生水翼正反翼面压差最大时刻翼面压力数据作为分布载荷，采用流固耦合技术分析仿生水翼的翼面变形及应力分布，将翼面最大应力与水翼材料的屈服极限进行比较，验证了仿生水翼的强度。
【关键词】：仿生推进 运动模式 推进性能 数值分析
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB17;U664.3
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.2 水翼法仿生推进研究现状12-14
• 1.3 水翼法仿生推进载体14-17
• 1.4 课题来源及论文的主要内容17-19
• 第2章 海龟水翼法推进仿生研究19-29
• 2.1 海龟外部形态及肢体构造19-22
• 2.1.1 海龟外部形态与运动特性19-20
• 2.1.2 海龟肢体骨骼结构与形态特性20-22
• 2.2 海龟水翼运动特性22-27
• 2.2.1 海龟水翼推进运动模式及力学机理22-24
• 2.2.2 海龟肢体协同动作24-26
• 2.2.3 海龟水翼运动轨迹及周期特性26-27
• 2.3 水翼法仿生推进装置及仿生机器人27
• 2.4 本章小结27-29
• 第3章 分段模式运动仿生水翼推进性能分析29-57
• 3.1 仿生水翼运动学模型29-31
• 3.2 仿生水翼水动力分析及仿生机器人动力学模型31-37
• 3.2.1 水动力分析的叶素理论法31
• 3.2.2 仿生水翼水动力分析31-36
• 3.2.3 仿生机器人动力学模型36-37
• 3.3 分段模式运动仿生水翼的推进性能37-42
• 3.3.1 样本运动参数的设定37-38
• 3.3.2 仿生机器人运动特性分析38-39
• 3.3.3 仿生水翼推力分析39-40
• 3.3.4 仿生水翼功率与效率分析40-42
• 3.4 仿生水翼推进性能与运动参数关系分析42-52
• 3.4.1 仿生水翼翼尖轨迹与运动参数关系分析43-44
• 3.4.2 仿生机器人运动特性与运动参数关系分析44-50
• 3.4.3 仿生水翼推力与运动参数关系分析50-51
• 3.4.4 仿生水翼推进效率与运动参数关系分析51-52
• 3.5 仿生水翼推进性能分析的载体实验验证52-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第4章 耦合模式运动仿生水翼推进性能分析57-75
• 4.1 仿生水翼的耦合运动及受力分析57-60
• 4.1.1 仿生水翼耦合运动的数学模型57-59
• 4.1.2 仿生水翼的水动力分析59-60
• 4.2 耦合模式运动仿生水翼的推进性能60-65
• 4.2.1 仿生机器人运动特性分析60-61
• 4.2.2 仿生水翼推力分析61-62
• 4.2.3 仿生水翼功率与效率分析62-64
• 4.2.4 耦合运动模式与分段运动模式比较64-65
• 4.3 仿生水翼推进性能与耦合运动参数关系分析65-73
• 4.3.1 仿生水翼翼尖轨迹与耦合运动参数关系分析65-66
• 4.3.2 仿生机器人运动特性与耦合运动参数关系分析66-70
• 4.3.3 仿生水翼推力与耦合运动参数关系分析70-72
• 4.3.4 仿生水翼推进效率与耦合运动参数关系分析72-73
• 4.4 本章小结73-75
• 第5章 仿生水翼推进性能数值分析75-87
• 5.1 基于仿真软件的数值分析方法75
• 5.2 惯性系下仿生水翼空间角速度75-77
• 5.3 仿生水翼绕流场的数值模拟过程77-79
• 5.4 仿生水翼的数值分析结果79-85
• 5.4.1 收敛性判断79-80
• 5.4.2 仿生水翼绕流场结构80-83
• 5.4.3 仿生水翼翼面压力变化83-84
• 5.4.4 仿生水翼应力及变形分析84-85
• 5.5 本章小结85-87
• 结论87-89
• 参考文献89-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果96-97
• 致谢97

【参考文献】

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本文编号：414030