基於MFC的各向異性柔性仿生魚尾研究

《基於MFC的各向異性柔性仿生魚尾研究》是依託南京航空航天大學，由李華峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於MFC的各向異性柔性仿生魚尾研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李華峰
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

本項目針對仿生魚在軍事和經濟等領域的巨大潛在套用價值，探索由MFC智慧型材料驅動的由正交布等三維編織各向異性材料構成的新型柔性仿生魚尾。它將充分利用MFC材料質輕、柔軟、應力/變大、回響快和各向異性的特點，克服其他驅動方式體積大、有噪音、結構複雜、驅動力小等缺點，有望使仿生魚尾結構簡單、動作豐富。研究內容包括：通過理論分析和數值仿真建立大振幅下魚尾的非線性動力學模型；分析魚尾三維結構尺寸和各個運動參數與推進力、速度和效率之間的關係，由此進行仿生魚尾結構最佳化設計；MFC單元材料動態和準靜態衰變規律；MFC與各向異性材料構成的主軸方向不同的複合材料在多種激勵下的回響特性；MFC激勵下複合材料三維主動靜變形及流場邊界條件下的振動行為；指定運動規律約束下MFC最簡多點激勵算法；多模式驅動控制器研製以及實驗研究。由此建立利用MFC構建柔性仿生魚尾的理論和方法，從而探索該智慧型材料在仿生領域的套用。

結題摘要

仿生機器魚具有良好的機動性、隱蔽性和低噪聲等特點，在民用和軍用的水下航行器領域具有極其廣闊的套用前景。目前，國外研究人員提出並研究了多種不同結構特徵的魚尾，為其在軍用或民用水下航行器中的套用奠定了基礎。我國的柔性仿生魚尾的研究工作才剛剛起步，加大柔性仿生魚尾關鍵技術的研究，對發展仿生魚技術具有重要意義。 區別於電磁電機驅動的多關節仿生魚，本課題以MFC為柔性驅動材料，以振動套用為基礎，分別以擺動、扭轉以及波動運動為推進模式，開展了柔性仿生魚尾的驅動機理、性能仿真、複合材料製備和實驗研究，並對擺動推進模式和扭轉推進模式的仿生魚尾進行了套用實驗，成功實現了微型魚的快速運動。 本課題主要研究內容及成果如下： 1. 提出了一種以MFC及各向異性材料為基體，以擺動模式為推進模式的仿鯪魚尾，研究了複合材料性能對魚尾擺動幅值的影響。製備出了符合要求的兩種玻璃纖維增強型複合材料，成功實現了仿鯪魚尾的推動套用，最大推力為12.5 mN，最快前進速度約為40 mm/s，最快後退速度約為20 mm/s。 2. 提出了一種採用扭轉推進模式的變截面尾鰭柔性仿生魚尾，利用解析與數值方法研究了尾鰭的振動特性，分析了柔性變截面尾鰭的固有頻率與結構尺寸之間的關係，系統地研究了魚尾在空氣和水中的扭轉特性。通過分析魚尾在一個運動周期內的水動力性能，探明了扭動模式魚尾產生推力的機理。最終成功實現了扭轉模式的柔性仿生魚尾的套用，其最快游速為320 mm/s。 3. 提出了一種採用波動推進模式的仿鮪魚尾的設計方案。以蘭傑文振子的放大原理為基礎設計了變截面魚尾結構；根據波從波密媒介向波疏媒介傳播無半波損失的特點，實現了由多種不同性能複合材料構成魚尾的行波波動運動；依據阻尼吸收能量方法，探討了材料的不同阻尼係數對魚尾的波動運動的影響，仿真實現了基於振動原理的仿鮪魚尾的波動運動。 4. 針對MFC的高驅動電壓與柔性仿生魚尾低頻工作的特點，研製了一款帶直流偏置的低頻高壓驅動電源，為利用MFC驅動的微型機器魚的運動提供了重要試驗平台支撐。 本課題採用MFC以及各向異性材料構造出柔性仿生魚尾，並運用多種振動模態實現了魚尾的擺動、波動運動，特別是扭轉運動，魚尾具有電磁電機驅動所不具備的結構簡單、質量輕、運動模式多樣等優點，為仿生魚的研究探索出一條可行路徑。