浅论推进仿海龟柔性水翼推进技术

论文导读：协同运动制约策略。探讨海龟水翼法推进机理及其力学特点。通过生物原型活体实验，获取海龟形态学和运动学参数，发现海0龟水翼周期性运动可分为拍旋和位旋两个自由度，并可利用伯努利双纽线描述其翼尖的“8”字形运动轨迹，利用简谐运动方程建立水翼拍、位旋运动模型。基于水翼运动模型，进行水翼运动数值模拟实验以探讨其外部受力
摘要：海龟独特的柔性前肢水翼法推进作为水中生物推进方式之一，具有灵活性好、噪声低、涡流利用率高、姿态制约独特等优点，将其运用于小尺寸、低雷诺数下的微小型水下航行载体推进中，对于探讨水下新型驱动方式，提升载体隐蔽性和灵活性具有重要的探讨作用和利用价值。当前，海龟水翼法推进技术探讨刚刚起步，其中关于水翼柔性推进技术和协同推进技术的探讨均未充分展开，而这些技术正是水翼法推进具有高效率、低噪声优势的重要理由，探讨水翼柔性推进技术和协同推进技术对于认识和掌握水翼法推进机理、加速水翼法推进水下载体技术实用化进程具有重要价值。本论文以水翼法推进机理探讨出发，对海龟水翼柔性推进技术和水翼协同推进技术进行探讨，在此基础上探讨水翼法推进仿生载体技术，并通过实验探讨验证水翼法柔性推进性能和水翼协同运动制约策略。探讨海龟水翼法推进机理及其力学特点。通过生物原型活体实验，获取海龟形态学和运动学参数，发现海0龟水翼周期性运动可分为拍旋和位旋两个自由度，并可利用伯努利双纽线描述其翼尖的“8”字形运动轨迹，利用简谐运动方程建立水翼拍、位旋运动模型。基于水翼运动模型，进行水翼运动数值模拟实验以探讨其外部受力和流场结构变化，发现水翼近肩处阻力占优，远肩处推力占优，且其尾迹中出现了反卡门涡街。利用生物解剖学，进行水翼骨骼和肌肉力学浅析，探讨水翼骨骼粘弹特性，并发现水翼运动时肌肉处于等张收缩状态。探讨海龟柔性水翼仿生推进技术。基于水翼运动机理剖析，探讨水翼运动的驱动力、形变特性、流场结构等，推算出水翼尾涡脱泻的St值位于0.2～0.45之间，Re数位于3×102～4.5×104之间，且后缘涡的加速脱泻和前缘涡不脱落是水翼获得高升（推）力的重要理由。探讨水翼粘弹本构特性，发现4参数线性粘弹模型可较好地拟合水翼后缘软组织粘弹性特点，在此基础上研制半骼式仿生柔性水翼模型，并对其进行组织模态和数值模态浅析，探讨仿生柔性水翼形变量、形变速度和形变应力等。基于水翼法推进机理，探讨水翼法推进仿生载体技术。以生物原型为仿生对象，研制仿水翼法推进实验样机，进行实验样机运动空间受力浅析，发现样机直航运动中将受到一个垂向力干扰，双翼转艏相比于单翼转艏在提升艏向力矩同时也增加了横倾力矩。探讨实验样机水池实验所受合外力，利用矩阵广义变换和牛顿—欧拉方程，获取样机空间运动方程，为提炼样机动力学模型提供基础。基于仿生水翼运动模型，进行样机水翼运动数值模拟实验，发现水翼拍旋角速度ω1和位旋角度β对于调节水翼推力具有重要作用。针对水翼协同运动特点，探讨水翼协同推进技术。探讨海龟水翼协同运动机理，得出双旋协同运动可缝合水翼尾涡涡带，双翼协同运动可防止聚集涡干扰的浅析结论。针对水翼协同运动特点，研制了实验样机水翼协同运动制约系统，提出水翼双旋协同分段式制约策略和双翼协同角速度在线调节策略，实验验证了这两种策略可较好地实现水翼双旋协同制约和双翼协同制约。为验证柔性水翼推进性能，进行实验样机静态水池实验探讨。构建水池实验环境，进行样机水翼协同推进实验，验证了水翼双旋协同推进可增加样机纵向推力、双翼协同推进可提升样机运动效率的浅析结论。进行样机直航运动实验，表明水翼拍旋角速度ω1和拍旋角度a对样机直航速度呈单调递增影响走势，而位旋角度β对样机速度呈先扬后抑的影响走势，验证了样机受力浅析和水动力数值模拟的结果；进行样机转艏运动实验，表明样机艏向速度随水翼拍旋角速度ω1值的增大而非线性增加，同时验证了双翼反向差动转艏相比于单翼转艏可提升艏向速度、压缩转艏半径和降低运动稳定性的浅析结论。进行半骼式柔性水翼和全骼式刚性水翼推进性能比较实验，表明柔性翼相比于刚性翼的增推作用只有在较高ω1值拍动时才能体现，但柔性翼在速度减振方面的作用却一直有着且愈加显著，验证了柔性水翼可改善水翼法推进性能的浅析结论。关键词：仿生推进论文海龟水翼法论文柔性形变论文协同推进论文
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Abstract7-14
第1章 绪论14-30

1.1 引言14

1.2 课题探讨的目的与作用14-15

1.3 生物游动方式机理浅析15-18

1.3.1 摆动论文导读：力产生53-563.2.3柔性翼形变56-573.3水翼形变及水动力57-673.3.1柔性形变水动力58-603.3.2水翼形变模型60-623.3.3制约方程及离散策略62-643.3.4水动力数值模拟64-673.4仿生水翼设计及模态浅析67-763.4.1水翼粘弹特性67-713.4.2仿生水翼设计71-723.4.3弦向形变浅析72-743.4.4组织模态浅析74-753.4.5数值模态浅析
法推进机理15-16

1.3.2 划动法推进机理16-17

1.3.3 喷射法推进机理17

1.3.4 水翼法推进机理17-18

1.4 水翼法推进技术探讨近况18-23

1.4.1 水翼法推进机理探讨近况18-21

1.4.2 水翼法载体技术探讨近况21-23

1.5 柔性肢体推进技术探讨近况23-27

1.5.1 肢体形变机理探讨近况24-25

1.5.2 柔性肢体仿生探讨近况25-27

1.6 水翼法推进技术探讨难点27-28

1.7 课题来源与本论文主要内容28-30

第2章 生物原型运动及力学特性探讨30-52

2.1 引言30-31

2.2 生物原型形态学探讨31-34

2.1 体态特点31-32

2.2 肢体特点32-34

2.3 生物原型运动学探讨34-42

2.3.1 生物运动平台构建34-35

2.3.2 生物原型活体实验35-38

2.3.3 水翼运动机理浅析38-42

2.4 生物原型生物力学42-48

2.4.1 骨骼力学特性43-45

2.4.2 肌肉力学特点45-48

2.5 水翼运动数值模拟48-50

2.6 本章小结50-52

第3章 柔性水翼推进技术探讨52-77

3.1 引言52

3.2 水翼柔性推进机理52-57

3.

2.1 水翼体构造52-53

3.

2.2 驱动力产生53-56

3.

2.3 柔性翼形变56-57

3.3 水翼形变及水动力57-67

3.1 柔性形变水动力58-60

3.2 水翼形变模型60-62

3.3 制约方程及离散策略62-64

3.4 水动力数值模拟64-67

3.4 仿生水翼设计及模态浅析67-76

3.4.1 水翼粘弹特性67-71

3.4.2 仿生水翼设计71-72

3.4.3 弦向形变浅析72-74

3.4.4 组织模态浅析74-75

3.4.5 数值模态浅析75-76

3.5 本章小结76-77

第4章 样机研制及水动力特性探讨77-108

4.1 引言77

4.2 仿生推进实验样机研制77-82

4.

2.1 样机总体结构77-78

4.

2.2 推进执行系统78-80

4.

2.3 制约与感知系统80-81

4.

2.4 通讯与能源系统81-82

4.3 实验样机运动推力浅析82-91
4.

3.1 空间运动坐标系82-83

4.

3.2 水翼运动水动力83-86

4.

3.3 样机运动推升力86-91

4.4 实验样机动力学浅析91-98

4.1 空间运动参数转换91-92

4.2 合外力与合外力矩92-97

4.3 样机空间运动方程97-98

4.5 仿水翼法推进仿真实验98-106

4.5.1 仿生水翼运动模型98-100

4.5.2 水翼水动力数值模拟100-102

4.5.3 CFD 流场数值模拟102-104

4.5.4 翼尖轨迹监测实验104-105

4.5.5 翼根位置校核实验105-106

4.6 本章小结106-108

第5章 水翼协同推进技术探讨108-125

5.1 引言108

5.2 水翼协同运动机理浅析108-113

5.

2.1 水翼双旋协同运动108-111

5.

2.2 双水翼间协同运动111-113

5.3 水翼协同制约系统研制113-116
5.

3.1 总体制约系统构建113-114

5.

3.2 协同子制约器设计114-116

5.4 水翼协同制约策略探讨116-119
5.

4.1 双旋协同制约策略116-118

5.

4.2 双翼协同调节策略118-119

5.5 样机协同制约验证实验119-124

5.1 双旋协同制约实验120-121

5.2 双翼同步协同实验121-123

5.3 双翼异步协同实验123-124

5.6 本章小结124-125

第6章 水翼法推进水池实验探讨125-148

6.1 引言125

6.2 水池实验环境构建125-127

6.3 水翼协同运动实验127-134

6.

3.1 水翼双旋协同推进实验127-130

6.

3.2 双翼同步协同推进实验130-132

6.

3.3 双翼异步协同转艏实验132-134

6.4 水翼法推进性能实验134-143
6.

4.1 实验样机直航运动实验134-139

6.

4.2 实验样机转艏运动实验139-143

6.5 仿生柔性翼推进实验143-147
6.

5.1 直航运动比较实验143-145

6.

5.2 转艏运动比较实验145-147

6.6 本章小结147-148
结论148-150
参考文献150-163
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果163-165
致谢165-166