液壓驅動的波動鰭推進器柔性仿生特性研究

《液壓驅動的波動鰭推進器柔性仿生特性研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由徐海軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液壓驅動的波動鰭推進器柔性仿生特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐海軍
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

魚類在水下具有卓越的遊動能力，不僅僅體現在非凡的游速上，更以高超的機動性吸引著人們對水下仿生推進的研究逐漸拓展到柔性仿生上來。現有絕大部分水下機器人的仿生推進器，在模擬各種魚類遊動器官的節律運動來產生推進力時，不論是仿生結構上還是仿生運動傳動鏈上都是剛性的，使得擬合出的仿生運動僵硬而低效。本項目以具有特殊遊動特性和廣闊套用前景的尼羅河魔鬼魚的柔性長鰭為仿生對象，採用以流體為傳動介質的液壓系統作為波動鰭仿生推進器的驅動系統，研究仿生液壓系統驅動下波動鰭推進器的柔性運動規律和柔性動力特性，包括推進波形的節律特性和穩定性，柔性啟動和柔性停止特性，以及仿生推進器在流體中的負載自適應特性等。本項目的研究，將為全面了解仿生液壓驅動的機理和特性、研製更為高效的柔性水下仿生推進器提供理論指導和分析依據，為水下仿生推進器的進一步實用化研究積累工程經驗。

結題摘要

採用MPF模式遊動的魚，其推進器官表現出的柔性波動外形和獨特的流體動力特性，對於研製水下航行器的新型波動仿生推進裝置具有重要的啟發和借鑑意義。 基於已有的研究基礎，為提升波動鰭仿生推進器運動形態的光滑性和柔性，以期改善其流體動力特性，實現從“形仿”向“神仿”的提升，本項目從仿生液壓系統創新設計、仿生結構和形態最佳化、流體動力特性計算及原理樣機實驗等方面開展了波動鰭仿生推進器在液壓系統作用下的柔性特性研究。 首先，在對生物鰭面的生理結構和運動形態深入分析的基礎上，創新設計了仿生液壓系統，包括設計具有自動溢流保護功能的仿生關節，以及可驅動仿生關節作柔性擺動的軸狀液壓閥，提升了仿生結構和仿生運動的柔性並簡化了液壓閥路結構。新的仿生液壓系統可在仿生關節負載過大時自動溢流，保護仿生結構和液壓系統，還可同時驅動多個仿生關節作類似生物鰭條運動的節律擺動，實現近似生物鰭面的柔性波動形態。 其次，開展了液壓系統作用下的柔性波動形態的建模與特性分析，研究了實現柔性波動形態的方法。基於數學模型研究了不同液壓閥的作用機理和波動形態差別，驗證了軸狀液壓閥設計的合理性。分析了液壓系統的柔性控制策略和波動參數耦合特性，實現了仿生波動形態的柔性啟動、停止過程。設計了變厚度的仿生關節組合結構，實現了柔性紡錘狀波動形態。研究了液壓系統驅動下仿生關節的擺動形態和動態特性，闡述了液壓系統平衡位形的重要作用，以及在實現水下平穩、高效推進的工程意義。 再次，藉助CFD手段對不同波動形態、不同波動參數下仿生鰭面的流體動力特性進行了研究，分析了仿生鰭面的負載自適應形態的作用規律。CFD計算結果進一步驗證了仿生液壓系統驅動的有效性，表明仿生波動運動的柔性形態、波動參數以及負載自適應特性，對於改善流體動力大小和穩定性具有重要作用。 最後，基於研製的原理樣機開展實驗，驗證了軸狀液壓閥功能設計的合理性和結構的可行性，檢驗了仿生關節的自動溢流功能和仿生波形的負載自適應能力，測試了水下運動效果。 本項目共發表學術論文9篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索6篇；申請專利2項，其中已授權1項；培養博士研究生1名，預計2015年6月答辯；此外，還有2篇學術論文在審。