水下生物经过亿万年的进化,具备了高超的游泳技巧及游动效率,乌贼便是其中的运动佼佼者。随着机械、材料、控制理论等学科的发展,模仿乌贼等水中生物游动研制仿生水下机器人成为可能。本文即以乌贼为主要研究对象,探讨其生物形态、生理结构及运动特征,并在此基础上研制形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)丝驱动的仿生乌贼推进器,通过测试实验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)仿真等手段对其流体动力进行研究分析。一方面有助于理解乌贼的游动机理,另一方面为仿生乌贼机器人的研究提供部件和理论基础。涡环是一种常见的流体现象,在水下生物推进中起着重要的能量传输作用,本文分析了水下生物多种推进模式中的涡环形成机制及其对游动效率的影响。乌贼是采用水平鳍和喷水复合推进的水中生物,能根据不同的条件采取不同的游动模式,具有强大的涡环产生和控制能力,集快速性、机动性、有效性于一身。乌贼的流线型身体是其能够实现高速推进的重要原因,根据所解剖乌贼的身体参数,建立了乌贼的三维模型。分析了乌贼的游动策略,并用基本的流体力学理论对其受力情况进行分析。转弯控制是衡量运动机动性的重要指标,乌贼能采取多种转弯模式,着重对其基于阻力的柔性转弯控制面进行了分析,相比刚性舵有着更好的流体控制能力。形状记忆合金丝作为一种新型驱动材料开始得到广泛应用,为了验证SMA丝作为驱动材料模拟乌贼或鱼类肌肉的可行性,在所搭建的SMA丝测试平台上对其性能进行了初步测试,其应变(接近4%)和应力(800 Mpa)都足以满足设计需求。大幅度的柔性弯曲是乌贼腕、鳍和鱼鳍的基本动作,基于其肌肉动作原理,分别研制了SMA丝驱动的仿生尾鳍推进器和仿生三角鳍推进器。对这两种推进器进行的开环控制动作实验表明:柔性化程度高,摆动幅度大,动作流畅,仿生效果好,无噪声。在所研制的测试平台上对其动作中的非定常推进力进行了实验测量,其中,仿生尾鳍推进器的最大瞬时推进力可达15.8 mN,仿生三角鳍推进器的最大瞬时推进力可达102.5 mN。得出了非定常推进力随着弯曲动作的变化规律,并探讨了摆动角度,摆动频率以及形状尺寸对推进力的影响。同实验测试一样,CFD仿真也是研究生物游动机理的有效手段。首先利用CFD仿真建立静态模型分别对乌贼的身体形态及其柔性转弯控制面进行了分析;其次基于所拍摄的仿生尾鳍推进器和仿生三角鳍推进器的运动规律建立了近似运动模型,利用动网格技术分别对其柔性动作过程进行二维和三维仿真。仿真中得出了其动作过程中非定常力的变化情况,并探讨了摆动角度和摆动频率对推进力的影响,仿真结果与推进力测试实验吻合良好。其中,在对仿生尾鳍推进器摆动的二维CFD仿真中,得出了与真实鱼尾鳍摆动后同样的涡环现象,并对所产生涡环的涡动力进行了定量分析。斯特鲁哈尔数(Strouhal number简称St)是表征流体非定常效应的重要参数,对鱼类来说,0.2≤St≤0.3时可以实现最优推进,仿真中以背景流替代尾鳍的前进速度,模拟出了斯特鲁哈尔数对涡流尾迹的影响,发现0.2≤St≤0.3时的尾鳍摆动尾迹是一种介于阻力尾迹和推进涡环之间的中间状态。为了进一步验证数值模拟出的可视化流场,搭建了基于改性聚四氟乙烯微粉(PTFE)的液面流场显示系统。在该系统上对仿生尾鳍推进器摆动后的涡环形成过程进行了可视化研究,研究表明该系统能够较为准确的反映流场状态,为研究流场形态提供了实验平台。乌贼的快速推进的动力源泉还在于其强有力的喷水,为此研制了SMA丝驱动的仿生乌贼脉冲喷射推进器并对其推进性能进行了实验测试。实验探究了驱动参数以及喷口直径对推进力的影响。随后建立了类似的喷水模型并对其喷水过程进行了CFD仿真,仿真中着重显示了其喷水后的涡环形成过程,分析了涡环形成数(L/D)对喷水尾迹的影响,并对推进力的变化情况进行了探讨。实验和仿真的结果验证了乌贼喷射推进中的涡环利用机制及喷水策略。综上所述,本文基于仿生乌贼推进器所完成的仿真与测试,为仿生乌贼机器人的研究提供了理论和实验平台。