SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究

论文摘要

随着海洋资源开发的深入和仿生学的进步,仿生水下机器人越来越受到科研工作者的关注。由于鱼类游动效率高,机动性好,国内外研制了多种模仿鱼类游动的机器鱼。然而大多数机器鱼采用身体/尾鳍摆动游动模式,利用电动机驱动的刚性关节来模拟鱼类柔性的动作,结构复杂且噪音较大,与鱼类的游动能力尚有较大差距。乌贼是一种具有高超游动能力的海洋动物,它能够通过高推进力的喷射实现游动,其速度和灵活性足以与鱼类媲美。本文对乌贼的喷射游动进行研究,提出并实现仿乌贼脉冲喷射推进器原型。首先,分析了乌贼喷射游动的机理,乌贼外套膜肌肉组织。研究了喷射游动规律以及喷射过程中外套膜肌肉的动作。乌贼喷射与火箭喷射原理相似,故采用火箭发动机推进效率来计算其流体推进效率。乌贼能够通过以较低的速度喷射较大质量的液体,获得较高的推进效率。在喷射过程中,外套膜中的环状肌占主导作用,外膜套的应变约为10%。外套膜收缩时,弹性能存储,外套膜充水时,弹性能释放,从而提高能量利用率。其次,为探索乌贼喷射后的射流周围的流场,辅助仿乌贼喷射推进器设计,采用计算流体力学中的动网格技术,对活塞喷射模型和仿乌贼外套膜喷射模型进行了研究。活塞喷射模型检验了利用FLUENT软件模拟喷射流场的可行性。探究不同外套膜收缩速度和喷嘴直径喷射平均推进力的变化。最后,设计并实现了仿乌贼喷射推进器原型。该原型为准柔性,由仿乌贼外套膜的外套膜段和仿乌贼漏斗的漏斗段组成,采用SMA丝作为致动器。对外套膜段的结构进行了详细讨论和试验研究,为增大应变,SMA丝采用“V”字形布丝法。对无进水膜推进器原型进行了喷射试验,实现了推进功能,通电后0.8-1.4s内推进器平均速度达到58 mm/s,外套膜段最大应变达到8.77%。对有进水膜的漏斗段进行了进水膜动作试验,进水膜可以实现快速大幅度动作并迅速恢复到初始状态,能够满足充水过程的动作需要。仿乌贼喷射推进器原型无噪音,环保、结构简单、动作柔和,能够达到乌贼慢速游动时的应变,实现脉冲推进功能,为仿生乌贼水下机器人的进一步研制提供了有益参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外水下机器人的研究现状
• 1.2.1 传统水下机器人研究现状
• 1.2.2 游动型仿生水下机器人研究状况
• 1.2.3 国外基于静水骨骼仿生机器人研究现状
• 1.2.4 国内基于静水骨骼仿生机器人研究现状
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 乌贼喷射游动的原理
• 2.1 乌贼的相关知识
• 2.2 乌贼游动机理
• 2.3 乌贼喷射推进的机理
• 2.3.1 乌贼喷射推进的过程
• 2.3.2 乌贼喷射推进的效率
• 2.4 乌贼的外套膜结构及其动作
• 2.5 本章小结
• 第3章 仿乌贼喷射模型的数值计算
• 3.1 计算流体力学及FLUENT 简介
• 3.2 动网格技术
• 3.2.1 弹簧近似光滑法
• 3.2.2 动态分层法
• 3.2.3 局部网格重组法
• 3.3 活塞推进喷射模型及计算
• 3.3.1 活塞推进几何模型
• 3.3.2 控制方程
• 3.3.3 网格划分
• 3.3.4 FLUENT 内部设定
• 3.3.5 计算结果及分析
• 3.4 腔体收缩喷射模型及计算
• 3.4.1 腔体收缩几何模型
• 3.4.2 网格划分
• 3.4.3 计算结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 仿乌贼喷射推进器原型的设计实现及其试验研究
• 4.1 仿乌贼喷射推进器原型的总体设计
• 4.2 SMA 的特性
• 4.3 外套膜段设计及其实现
• 4.3.1 SMA 形变计算
• 4.3.2 外套膜硅胶选择
• 4.3.3 筋条结构及实现
• 4.3.4 筋条布置及整体成型
• 4.4 有进水膜漏斗段设计及实现
• 4.5 无进水膜仿乌贼喷射推进器喷射游动试验
• 4.6 漏斗段进水膜动作试验
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢