弓鳍目鱼柔性波动长鳍运动学特征分析

利用数字摄像机和图像测量技术定量地研究了弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”的自然巡航游动过程；对实验所获图像进行分析，得到了样本躯体宽度、躯体纵深和长背鳍纵深沿体长分布的曲线，以及样本在每秒0．728～0．985鳍长的特征游速下巡航游动时的背鳍运动参数与背鳍波动波形的包络线；定性描述了“尼罗河魔鬼”正向、逆向行进时背鳍产生波形的差异，分析了样本的形态学特征、柔性长背鳍波动推进的运动特性及运动参数间的相关性，为进一步进行动力学分析和建立工程上实用的仿生柔性长鳍简化模型及其简化准则提供了依据。     

基于液压驱动的仿生推进器设计及运动学分析

MPF推进模式鱼类的高效、低扰动游动特性,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注。以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍为仿生对象,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿生推进器。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理,并建立了相应的运动学模型。在MAT-LAB中,根据运动学模型分析了鳍条高度、鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果。初步开展了该仿生推进器试验装置的试验。计算仿真和试验结果表明:液压驱动的仿生推进器运行流畅、结构和运动参数调整有效,完全可以模拟仿生对象的运动。     

仿鱼柔性长背鳍波动运动机构的设计与仿真

以“尼罗河魔鬼”鱼的柔性长背鳍波动运动为对象，研究了背鳍运动的仿生原理，介绍了背鳍运动建模方法，设计了一种仿鱼背鳍波动运动的机构，对该机构及其单节摆动装置进行三维仿真及虚拟装配。仿真的结果表明，该机构的波动运动方式可行，具有结构肾凑、运动平稳等显著的特点。     

波动发生器中的圆盘凸轮轮廓设计及计算仿真

文章以“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动运动为背景,提出一种基于凸轮传动原理的仿柔性长鳍运动的波动发生器设计方案．重点叙述该波动发生器中的单节圆盘凸轮机构摆动装置,介绍该装置的运动变换原理及圆盘凸轮的理论轮廓数学建模方法。通过对凸轮理论轮廓进行仿真计算,分析参数变化对凸轮理论轮廓的影响。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较

依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。     

仿鲹科机器鱼双体耦合波动推进动力学特性研究

采用数值模拟方法仿真分析了仿鲹科机器鱼在不同波动频率、波动幅度和初始相位差下的双体耦合波动推进动力学特性,重点研究了同相和反向波动时的阻力和升力系数。实验测试表明:双体机器鱼反相波动耦合推进速度比同相波动高,且游动更稳定。研究结果对仿生水下机器人的研制具有指导意义。     

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。     

鲹科模式机器鱼自主游动的水动力特性研究

采用数值模拟方法对鲹科模式机器鱼的自主游动机理进行研究。通过求解三维机器鱼自静止状态起动,逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程,探讨自主游动过程中运动学和力能学参数的时间历程规律,并通过改变机器鱼的运动学参数来研究其自主游动的水动力性能,揭示力学机理和流场结构。结果表明,机器鱼自主游动过程中,速度和力呈现明显的非定常变化,在鱼体开始摆动并逐渐加速的过程中,作用在鱼体上的力和力矩均不平衡,因此存在一定的平动和转动加速度,当流场趋于稳定时,鱼体所受的力和力矩达到平衡,并获得一定的前向稳态游动速度。进一步在稳态游动的基础上,研究摆动频率和尾部摆幅对机器鱼水动力参数的影响,提取的三维流场结构清晰地反映出二者对机器鱼稳态游动的影响机制。研究结果对于获得更为合理的三维机器鱼的稳态游动机理,开发新型原理样机具有重要意义。     

鲹科和鲔科仿鱼机器人自主游动机理的分析与比较

采用计算流体力学方法对自主游动的仿鱼机器人进行数值模拟,给定相同的物理模型,将鱼体分别按照鲹科模式和鲔科模式运动学进行游动,提取两种模式的力能学和流场结构信息.通过比较二者的收敛速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率、流场结构的差异,归纳出提高仿鱼机器人游动性能的影响因素.结果表明,鲹科模式中的"波动鱼尾"和鲔科模式中的"摆动鱼尾"在自主游动中起到了极为可观的作用;鲹科模式具有良好的综合游动性能,只有在合理的参数范围内,鲔科模式的游动性能才会较鲹科更为占优;对于鲔科模式而言,欲获得理想的收敛速度和推进效率,应优先选择合理的最大击水角度,再依据快速和高效的不同目标适当调整相位差.研究结果对于理解鲹科和鲔科仿鱼机器人的自主游动机理、开发新型仿鱼机器人具有重要意义.