基于CFD的两栖仿生机器人水动力特性研究

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两栖仿生机器人凭借其灵活的水陆两栖运动能力,能完成中小型河湖、湿地、沼泽的清淤工作,同时还能装配多种工作装置,在各类水利工程中应用越来越广。由于目前我国的两栖仿生机器人发展较慢,各性能均存在不足,而水动力特性对于两栖仿生机器人的经济性、稳定性和安全性影响较大,因此木文以A、B型两栖仿生机器人为研究对象,基于计算流体力学(CFD)通过数值计算对二者的水动力特性进行研究,并研究了相应的结构优化方案,对两栖仿生机器人的设计、开发和优化具有重要的指导作用。本文的数值计算采用VOF法对自由液面进行模拟,应用重叠网格技术和DFBI运动模型计算两栖栖仿生机器人在流体力作用下的运动情况。通过数值计算得到了 A、B型两栖仿生机器人的准确静浮态,对比并分析了二者在静浮态上的优劣性:再预测了两栖仿生机器人在2m/s航速下静水直航工况的航行阻力,得到二者的航行姿态,并分析了两栖仿生机器人重要部件的水阻力。以静水自由摇荡中的横摇、纵摇和垂荡三种运动为研究工况,通过数值计算模拟了两栖仿生机器人的静水自自由摇荡运动过程,得到这三种摇荡运动的相应参数;采用莆田试验站公式计算了不同风力等级下规则波的波浪参数,通过摇荡运动微分方程计算了两栖仿生机器人在不同风力等级下、不同航速下和不同航向角下在规则波中的摇荡运动:根据对两栖仿生机器人耐波性的研究,设计了一套两栖仿生机器人耐波性综合设计评估方法,对比了A、B型两栖仿生机器人耐波性综合设计的优劣。以B型两栖仿生机器人为优化对象,首先加装了 3种防浪板,预测了不同防浪板方案在2m/s的航速下静水直航的航行阻力,对比、分析了 3种防浪板方案的航行阻力和航行姿态;再对B型两栖仿生机器人的尾切角进行调整,预测不同尾切角方案在2m/s航速下静水直航的航行阻力,对比、分析了不同尾切角方案的航行阻力和航行姿态;最后通过调整前支腿液压缸伸长量改变前支腿的位姿,模拟不同前支腿位姿方案的静水自由横摇过程,研究不同前支腿位姿方案的减摇能力。
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