仿生鳐鱼水下机器人的设计及数值模拟研究

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随着陆上资源的不断枯竭以及国家海洋战略的提出,对海洋的开发利用得到更多的关注,也促进了探索海洋环境的水下机器人的发展。而仿鱼类水下机器人由于其自身优越的运动性能,已成为机器人领域研究的热点。以鳐鱼为代表的胸鳍波动推进的鱼类具有优越的机动性和隐蔽性,而目前对鳐鱼的仿生学研究较少,本文以鳐鱼为仿生对象,开展其运动仿真研究。  本文根据鳐鱼胸鳍波动的运动模式,设计了一套仿生鳐鱼机械结构,利用ADAMS软件对机构进行运动学仿真,对机构的合理性进行验证。并结合鳐鱼的形状建立仿生鳐鱼的物理模型。接着在已有研究成果的基础上,建立了仿生鳐鱼的运动学模型,并仿真了鳐鱼胸鳍的运动,证明了模型的可行性。  在此基础上,本文提出了鳐鱼的动力学方程,并通过对其中未知量的公式推导,建立了鳐鱼的动力学模型。接下来,利用已建立的模型进行编程,在Fluent软件中完成其初步仿真,分析了鳐鱼运动速度和受力情况,证明了鳐鱼可实现在流体中的游动。  接下来,利用控制变量法,研究了波动频率、波长和波动振幅对鳐鱼运动性能的影响。通过对鳐鱼的表面压力、运动速度以及各方向的受力情况进行比较,得到了鳐鱼产生动力的来源,鳐鱼可实现在前进方向的稳定运动,说明了运动参数对鳐鱼运动的影响规律,为之后更深入的仿真研究以及鳐鱼实体样机的制作提供了理论参考。
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