尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响

将速度收敛算法应用于仿鱼机器人自主游动的数值模拟研究中,以鱼体静止为初始条件,通过检验游动过程中的作用力动态修正游动速度,使其收敛到稳态值,进一步在收敛速度的基础上,研究尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响,揭示其推进机理和流场结构。计算结果表明,改变尾鳍运动的相位差和最大击水角度,采用速度收敛算法可以有效地预测仿鱼机器人的稳态游动速度,进而获得尾鳍运动行为与稳态游动的推进力、功率消耗和推进效率的映射关系,三维流场结构清晰地反映了尾鳍运动行为对尾迹结构、尾迹强度的影响机制。研究结果对于预测仿鱼机器人的稳态游动速度,揭示尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响机制,设计仿鱼机器人的运动参数具有重要意义。     

压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理

宏压电纤维复合材料(Macrofiber composite,MFC)克服了传统压电材料在韧性和脆性方面的不足,具有驱动变形大、柔韧性好且防水性好的优点,在仿生变形驱动领域具有广泛的应用前景。模仿锦鲤鱼类的形态特征和身体/尾鳍(Body or caudal fin, BCF)游动推进模式,提出了一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。在峰值1 000 V、频率7.5 Hz的简谐激励电压下,试验测得推进器末端水下最大摆速154.5 mm/s。采用计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)分析了推进器摆动过程中周围流场分布及变化情况。仿真结果表明,推进器在稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力分别为9.8m N和4.22m N,与Lighthill细长体理论一致;同时从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一片流速约为推进器结构最大摆速2倍的高速流场区域,且始终存在着一对对称分布、旋向相反的涡环结构沿着推进器顺流而下,因此产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出,而推进器在高速水流的反作用力下向前推进,从而揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的流固耦合特性和推进机理。     

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。     

外场驱动无缆微机器人的仿生游动特性

研制了以NdFeB为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,媒介于嵌入机器人头部NdFeB的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能,再带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力。由于NdFeB为非接触式驱动,因此机器人的驱动不需要电缆。基于固定端摆动悬臂梁模型,建立了机器人尾鳍受迫振动波动方程和基于仿生游动原理的推力计算模型,以尾鳍波动的前三阶谐振模态为输入对其产生的推力进行了计算,得出了尾鳍各阶谐振模态与推力的关系,试验验证了理论分析的正确性,表明无缆驱动控制仿生游动微型机器人的方案切实可行。     

基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计

通过鱼类游动机理得到启发,将压电双晶片驱动器与柔性机构合为一体,设计了模拟鱼尾鳍摆动机构。应用尾鳍推进的流体力学理论以及刚体定轴转动理论建立其动力学模型。分析了柔性机构放大性能,设计计算了压电双晶片尺寸。     

基于光栅投影的工件表面缺陷检测方法研究

针对工件厚度与表面缺陷检测精度不足的问题,提出一种基于双投影的光栅投影缺陷检测方法。采用CCD相机采集两个方向上投影到工件表面的云纹图像,利用相移法求解两个方向的云纹图像相位,将两个方向的重建三维轮廓进行融合,实现工件表面缺陷的检测。试验结果证明:工件的厚度测量精度为0.05mm,缺陷测量精度提高到0.1mm。     

3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率，文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构，研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先，基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律，采用微元法分析建立其动力学模型，并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明：当两个胸鳍相互协同时，机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时，机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大，可实现较宽的游速范围，推进性能更好。     

AutoCAD环境下工程自由曲面的一种三维重建方法

提出一种AutoCAD环境下工程自由曲面的三维重建方法 ,根据投影栅相位法测得的三维离散数据 ,将 3DMESH命令与脚本文件相结合 ,实现自由曲面三维模型的自动重建     

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。     

BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析

目前,仿生学者已经注意到身体/尾鳍摆动(Body and/or caudal fin,BCF)鱼类快速、高效的游动性能并制作多种基于生物原型的仿生机器鱼,但是,所研制的机器鱼样机性能与鱼类性能存在着较大的差距,这又进一步地促进了柔性鱼类快速高效游动机理的研究。从柔性鱼体游动过程中的机械特性和流场特性两方面出发,介绍国内外在BCF柔性鱼类游动机理方面的主要研究进展,重点讨论鱼类游动机理的变阻抗驱动和涡流控制两项关键技术。通过对鱼类游动机理研究成果的分析和总结,探讨柔性机器鱼研究的发展趋势。总的来说,随着BCF柔性鱼类游动机理研究的不断深入,仿生学科的交叉理论研究将得到进一步发展,仿生机器鱼与生物原型之间游动性能的差距也必将逐渐缩小,实际应用前景较为广阔。     

基于理想推进器理论的尾鳍推力与效率估算

鱼类尾鳍的动力学问题已经得到广泛研究,但是在进行尾鳍推进器的设计时,还缺乏一种简单有效的设计和估算方法,将尾鳍的运动参数与推力、效率联系起来;在观测和分析尾鳍流场的基础上,研究了2自由度尾鳍推进器的流场结构和推力形成原因;将理想推进器理论应用于尾鳍推进器的推力和效率计算,提出了射流及其诱导速度的量化假设,建立了推力、效率与运动参数、斯特劳哈尔数之间的函数关系;运用该函数对海洋动物的典型运动状态进行了估算,估算结果与动物观测现象基本吻合,该方法在机器鱼模型设计中得到了应用和验证。     

CPU散热器结构设计与热分析

CPU散热器是将CPU核心热量迅速导出的关键,已成为获得新一代电子芯片的主要问题之一。采用数值模拟方法对放射状太阳花CPU散热器进行三维流场及温度场分析,探讨放射状散热器在不同的肋片形状、肋片数N和肋片厚度等各种不同的参数作用下,对于整体散热器散热和流动性能的变化与影响,同时分析了太阳花散热器自然对流和瞬时动态特性。     

仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器，具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元，具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型，解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式；对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略，并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性；基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合，在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性；数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍，性能优势显著，为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。     

储罐内可燃气体燃烧引起的瞬时超压机理分析与动力学仿真计算

以容积为3×103m3立式拱顶储罐为研究对象,通过对储罐内可燃气体燃烧升压的理论研究得到了储罐内瞬时超压的计算方法,并对不同点火源位置、不同气体空间对储罐内部压力的影响进行了分析。最后采用有限元分析软件ANSYS建立了储罐的空间有限元模型,对储罐瞬时超压过程进行了数值模拟,提出了储罐在瞬时超压下的破坏条件,为储罐安全生产提供了理论基础。     

Optimization of a rectangular profile annular fin based on fixed fin height

The optimum performance and fin length of a rectangular profile annular fin are presented using a variations separation method. For fixed fin height, the optimum fin length and efficiency are arbitrarily defined as those for which the heat loss is in the range between 90% and 99% of the maximum heat loss. The maximum heat loss, the maximum effectiveness, the minimum fin resistance, the optimum fin length and the optimum efficiency are presented as a function of the inside fluid convection characteristic number, fin base thickness, fin height and ambient convection characteristic number. One of the results shows that the optimum fin length decreases almost linearly with the increase of the fin base thickness.     

基于直线型内摆线的两关节尾摆推进系统的设计及运动仿真

以电动机、液压马达等常见驱动和机械传动组合的大功率尾摆仿生推进,是未来水下自动航行器最具应用潜力的推进模式。提出一种基于直线型内摆线的尾摆推进系统,该系统具有相位差可调、运动无急回,可实现减速和运动转换集成。在关节点对推进性能分析及尾摆尾部运动数学模型的基础上,建立尾摆推进系统的黑箱;以尾摆推进参数、关节、参数间关系等运动参数为设计条件,完成了直线型内摆线两关节尾摆推进系统的工作原理设计和结构设计;运动仿真结果表明,直线型尾摆推进机构实现了可调相位差的简谐运动合成,并与鲤鱼尾部运动样本进行比对,验证了装置的可行性。     

基于经验模态分解的瞬时相位分析方法的应用

提出了基于经验模态分解的瞬时相位分析的新方法。通过对振动信号作经验模态分解得到信号的固有模态函数，再求出各个固有模态函数的Hilbert变换，得到信号的瞬时相位．通过瞬时相位的傅里叶分析就可提取信号特征。介绍了该方法的基本原理，并应用于齿轮箱轴承的故障诊断研究，通过选取表征轴承故障的固有模态函数进行瞬时相位和傅里叶分析，就可提取轴承故障振动信号的特征。通过对轴承故障实验信号的分析．表明该方法能有效地诊断轴承的故障。     

Lamb波与瞬时相位技术在损伤识别中的应用

采用主动Lamb监测技术与瞬时相位相结合的方法对复合材料板进行健康监测。首先通过仿真试验,模拟损伤信号在正常信号中的叠加,结果表明其会引起瞬时相位曲线相应的变化;然后再利用Lamb波主动监测技术,在复合材料板上进行试验采集信号,其瞬时相位能够发现板结构中的损伤,说明瞬时相位可应用于结构的损伤识别。     

A Comparison of Four Solution Methods for the Analysis of a Trapezoidal Fin

A comparison is made of the temperature profile and the heat loss from a trapezoidal fin using four methods. These four methods are the one- and two-dimensional analytical, the two-dimensional finite difference and a two-dimensional modified finite difference method. The two-dimensional analytical method was arbitrarily chosen as the reference. The non-dimensional fin length is restricted to be less than 2 to prevent errors which might occur due to large values of Δx in the finite difference methods. The values of the Biot number range from 0.01 to 1.0 while the thermal conductivity of the fin and fin’s convection coefficients are assumed constant. The results show that (1) in the view of the heat loss from the trapezoidal fin, all four methods can be used to obtain the solutions within 3% with each other for the given range of Biot number and the non-dimensional fin length, (2) for the non-dimensional temperature, the one-dimensional analytical method does not produce good results as compared to the other three methods when the Biot number is 1.0, and (3) by using a two-dimensional modified finite difference method instead of the two-dimensional finite difference method, the relative difference in the heat loss as compared to a two-dimensional analytical method is reduced considerably.