机器鱼柔性脊骨的仿真和实验研究

论文摘要

近年来,由于仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、较复杂工况的水下作业,可以用于机动性能要求较高的场合,也可以进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合,所以,具有快速、高效巡航游动以及高机动性鲹科鱼类引起了国内外学术界的广泛关注。本课题依托国家自然基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”,对鲹科推进模式鱼类的仿生机器鱼进行运动学模型的建立和新型柔性脊骨结构的设计分析。本文进行了鲹科鱼运动学的理论研究和柔性脊骨的优化设计。以鲹科推进模式鱼类为研究对象,将鲤鱼作为鲹科鱼的代表,取其游动图像进行处理和分析,建立机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型。并借助Matlab软件对该运动模型进行仿真分析和验证。以机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型为基础,采用参数优化设计方法,对鲹科推进模式机器鱼的柔性脊骨结构进行优化设计。根据参数优化设计,得出柔性脊骨比刚性脊骨能够更好复现运动学模型曲线的优越性。在理论分析和优化设计的基础上,对柔性脊骨进行了仿真分析和实验研究。运用ANSYS有限元分析软件,依据六关节柔性脊骨的优化设计尺寸,建立有限元模型,并分析其摆动姿态和力学性能。通过变形姿态分析,验证了柔性脊骨有限元模型能够正确的复现运动学模型。通过静力分析,改进了柔性脊骨的厚度尺寸序列。通过瞬态动力学分析,得到机器鱼柔性脊骨侧向位移和弹性回复力的动态关系特性。依据理论分析和仿真分析的结果,设计加工了柔性脊骨实体,并对其进行了变形姿态和静力实验。通过实验验证了本文运动学模型、优化设计和仿真分析的正确性和合理性。本文通过理论研究、优化设计、仿真分析和实验研究相结合的研究方法,建立了鲹科鱼类的运动学模型,得到了机器鱼柔性脊骨的优化结构及其相关变形和力学特性,为机器鱼的后续研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器鱼的仿生学概况及特点
• 1.2.1 鱼类推进模式分类
• 1.2.2 鱼类推进模式的特点
• 1.2.3 仿生机器鱼的研究意义及特点
• 1.3 仿生机器鱼国内外研究现状
• 1.3.1 国外仿生机器鱼研究现状
• 1.3.2 国内仿生机器鱼研究现状
• 1.4 仿生机器鱼运动学模型研究现状
• 1.5 本课题的研究目标和研究内容
• 第2章 运动学模型的建立与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 鱼体仿生学基础研究
• 2.2.1 鱼的形态描述
• 2.2.2 鱼体运动分析
• 2.3 运动学模型的建立
• 2.3.1 物理模型简化
• 2.3.2 运动学模型的建立
• 2.4 运动学模型的仿真分析及特点
• 2.4.1 基于MATLAB 的仿真分析
• 2.4.2 运动学模型的特点
• 2.5 本章小结
• 第3章 柔性脊骨三维尺寸的参数优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 参数优化设计理论
• 3.3 脊骨长度尺寸的参数优化设计
• 3.3.1 建立柔性脊骨构型
• 3.3.2 建立参数优化设计的数学模型
• 3.3.3 参数优化设计
• 3.3.4 参数优化设计结果分析
• 3.3.5 假设条件合理性的验证
• 3.4 脊骨高度与厚度尺寸的优化设计
• 3.4.1 脊骨高度尺寸设计
• 3.4.2 脊骨厚度尺寸的参数优化设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 柔性脊骨的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 柔性脊骨的静力学分析
• 4.2.1 基于APDL 语言建立参数化模型
• 4.2.2 确定加载方式
• 4.2.3 静力学分析
• 4.3 柔性脊骨的瞬态动力学分析
• 4.3.1 基于APDL 语言编写动态载荷
• 4.3.2 瞬态动力特性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 柔性脊骨静力学实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 柔性脊骨的静力学实验
• 5.2.1 变形姿态实验
• 5.2.2 侧向位移和弹性回复力关系实验
• 5.2.3 变形曲线对比实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢