超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 目 录 摘 要 Abstract .II 1绪论 1.】研究目的和意义… 1.2鱼类运动的研究现状. 1.2.1鱼类游动模式的研究… 1.2.2自然界鱼类观察实验 .5 1.2.3鱼类推进机理的研究 6 1.2.4鱼类游动的数值模拟… 8 13仿生鱼的研究现状… .8 1.3.1鱼体肌电测量技术 8 132新型智能材料驱动器… 9 1.3.4仿生机器鱼研究概况… .10 1.4本文的主要研究工作内容… 12 2超磁致伸缩材料仿生机器鱼的简化模型… .14 2.1超磁致伸缩材料力学性能… 14 22超磁材料仿生机器鱼的力学简化模型 .17 2.3超磁机器鱼的固有频率和振型 .21 2.4小结. .26 3超磁仿生机器鱼线性游动模型及外磁场控制方法. .27 3.1基本控制方程和求解方法… .27 3.1.】鱼尾摆动的控制方程27 3.1.2超磁机器鱼游动驱动力 30 31.3超磁机器鱼游动的控制方程与求解方法…31 3.2数值结果与分析33 3.2.1超磁机器鱼模型参数设置. .33 3.2.2超磁仿生机器鱼游动位移与外磁场频率的关系分析…34 3.2.3超磁仿生机器鱼沿体长的驱动力分布… 35 3.2.4机器鱼游动特征与轨迹… 40 3.2.5尾涡推力的作用.44 IV- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 目 录 摘 要…………………………………………………………………………………．I Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II 1 绪{仑………………………………………………………………………………………………………………l l，1研究目的和意义………………………………………………………………1 1．2鱼类运动的研究现状…………………………………………………………1 1．2．1鱼类游动模式的研究…………………………………………………1 1．2．2 自然界鱼类观察实验…………………………………………………5 1．2．3鱼类推进机理的研究…………………………………………………6 1．2．4鱼类游动的数值模拟…………………………………………………8 1．3仿生鱼的研究现状……………………………………………………………8 1．3．1 鱼体肌电测量技术……………………………………………………8 1．3．2新型智能材料驱动器…………………………………………………9 1．3．4仿生机器鱼研究概况………………………………………………．．10 1．4本文的主要研究工作内容…………………………………………………．12 2超磁致伸缩材料仿生机器鱼的简化模型…………………………………………14 2．1超磁致伸缩材料力学性能…………………………………………………．14 2．2超磁材料仿生机器鱼的力学简化模型……………………………………．17 2．3超磁机器鱼的固有频率和振型……………………………………………．21 2．4 小结…………………………………………………………………………………………………．．26 3超磁仿生机器鱼线性游动模型及外磁场控制方法………………………………27 3．1基本控制方程和求解方法…………………………………………………．27 3．1．1鱼尾摆动的控制方程………………………………………………一27 3．1．2超磁机器鱼游动驱动力……………………………………………．．30 3．1．3超磁机器鱼游动的控制方程与求解方法…………………………．．31 3．2数值结果与分析……………………………………………………………．33 3．2．1 超磁机器鱼模型参数设置…………………………………………．．33 3．2。2超磁仿生机器鱼游动位移与外磁场频率的关系分析……………。。34 3．2．3超磁仿生机器鱼沿体长的驱动力分布……………………………．．35 3．2．4机器鱼游动特征与轨迹……………………………………………．．40 3．2．5尾涡推力的作用……………………………………………………．．44 IV 万方数据
大连理工大学博士学位论文 3.3外磁场变频率控制 447 4小结4444444444,4 4超磁机器鱼游动中非线性问题的数值模拟及肌电图控制模拟 .50 4.1非线性问题控制方程及数值方法50 4.L.1非线性阻尼和几何大变形描述… .50 4.1.2机器鱼游动中驱动力表述 .54 4.2数值算例模拟结果 55 4.2.1机器鱼游动位移与外磁场频率的关系… 56 4.2.2驱动力沿超磁机器鱼体分布分析 .57 42.3超磁机器鱼游动轨迹及物理量随时间变化规律 …61 4.3仿生肌电图形式的外磁场控制… …65 4.3.1典型鱼类巡航和起动肌电图分析 65 4.3.2外磁场频率仿生控制… .66 4.3.3数值仿生模拟结果 .69 4.4小结.… 70 5超磁材料仿生机器鱼形状参数优化… 71 5.1数值计算模型. 471 5.2超磁材料仿生机器鱼仿生骨架的参数优化.73 5.3超磁机器鱼仿生肌肉厚度的参数优化 .86 5.4优化机器鱼骨架和肌肉对应的鱼身摆动及游动规律94 5.4.1鱼身摆动曲线和驱动力沿体长分布.95 5.4.2机器鱼速度变化和运动轨迹 .97 5.5小结… .101 6超磁仿生机器鱼游动的附加惯性效应… .103 6.1考虑附加惯性效应的控制方程.… 103 6.1.1控制方程的求解… .105 6.1.2游动驱动力及游动过程.… .108 6.2数值计算结果. …109 6.2.1游动物理量随时间变化规律… .111 6.2.2游动距离与外磁场频率的关系 119 6.3小结 .120 结 论…” …121 万方数据
大连理工大学博士学位论文 3．3外磁场变频率控制…………………………………………………………．47 3．4 小结………………………………………………………………………………一…………………48 4超磁机器鱼游动中非线性问题的数值模拟及肌电图控制模拟…………………50 4．1 非线性问题控制方程及数值方法…………………………………………．50 4．1．1 非线性阻尼和几何大变形描述……………………………………．．50 4．1．2机器鱼游动中驱动力表述…………………………………………．．54 4．2数值算例模拟结果…………………………………………………………．55 4．2．1 机器鱼游动位移与外磁场频率的关系……………………………．．56 4．2．2驱动力沿超磁机器鱼体分布分析…………………………………．．57 4．2．3超磁机器鱼游动轨迹及物理量随时间变化规律…………………．．61 4．3仿生肌电图形式的外磁场控制……………………………………………．65 4。3．1 典型鱼类巡航和起动肌电图分析…………………………………一65 4．3．2外磁场频率仿生控制………………………………………………一66 4．3．3数值仿生模拟结果…………………………………………………一69 4．4小结…………………………………………………………………………………………………．．70 5超磁材料仿生机器鱼形状参数优化………………………………………………71 5．1数值计算模型………………………………………………………………．71 5．2超磁材料仿生机器鱼仿生骨架的参数优化………………………………．73 5．3超磁机器鱼仿生肌肉厚度的参数优化……………………………………．86 5．4优化机器鱼骨架和肌肉对应的鱼身摆动及游动规律……………………．94 5．4．1 鱼身摆动曲线和驱动力沿体长分布………………………………．．95 5．4．2机器鱼速度变化和运动轨迹………………………………………一97 5．5小结…………………………………………………………………………………………………101 6超磁仿生机器鱼游动的附加惯性效应…………………………………………一1 03 6．1 考虑附加惯性效应的控制方程……………………………………………1 03 6．1．1控制方程的求解……………………………………………………105 6．1．2游动驱动力及游动过程……………………………………………108 6．2数值计算结果………………………………………………………………109 6．2．1 游动物理量随时间变化规律………………………………………11 1 6．2．2游动距离与外磁场频率的关系……………………………………119 6．3 小结…………………………………………………………………………………………………120 结 论…………………………………………………………………………………………………………121 V 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 参考文献… …122 创新点摘要. 攻读博士学位期间发表学术论文情况 .130 致谢… .131 作者简介.13 大连理工大学学位论文版权使用授权书.… .133 VI- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 参考文献…………………………………………………………………………．．122 创新点摘要……………………………………………………………………………129 攻读博士学位期间发表学术论文情况………………………………………………130 致 谢…………………………………………………………………………………………………………131 作者简介………………………………………………………………………………1 32 大连理工大学学位论文版权使用授权书……………………………………………133 万方数据
大连理工大学博士学位论文 1绪论 在自然界中，鱼类是灵巧的游泳者，它们的游动能力各具特色，游动方式千姿百态。 而鱼类的水中运动能力在于它们能够对水流的完美控制，这吸引了众多学者去研究它们 运动的机制，并根据它们来研制仿生机器鱼山。 1.1研究目的和意义 对于水生动物里的鱼类，它们的形体及运动机理是生物学家和工程师关心的问题， 对它们的研究做了大量的工作。鱼类作为水中生活动物，鱼类种类繁多，外形上的差距 很大。在它们的运动方式中，主要是通过自身身体的运动实现与周围流体相互作用)， 这是因为它们能够充分利用流体力学原理，具有非常高的游动效率，适合各种不同的环 境。 英国生物学家James Gray在1936年，提出了一种有关海豚游动的计算的模型，该 模型分析海豚身形在水中运动时的阻力，考虑海豚以20节的平均速度游动，讨论海豚 游动过程中的做功，计算该功时可用阻力乘距离（海豚每日游动），同时，为了推算出 海豚能够用于游动的能量，他还记录了海豚每日摄取的食物含量，然后他得到一个令人 不可思议的结论：海豚所做的功是其食物热量的7倍之多。Gray在这些观察和计算的基 础上，提出了一个疑题：海豚的游动效率远远超出了100%。虽然属于哺乳类动物，但 海豚是具有同鱼类类似的外形和相同的运动方式，因此人们将这个结论用于整个鱼类， 称为Gray悖论。 自然界鱼类的游动具有得天独厚的本领，通过应用鱼类的游动机理来设计自主式水 下航行器的推进系统，对常规螺旋桨式的水下推进器来说，这是另一种推进方式。通 过探讨鱼类高速、高效、灵活游动机制可以促进仿生机器鱼的研究、开发向。 1.2鱼类运动的研究现状 1.2.1鱼类游动模式的研究 鱼类表现出来的各种各样的运动可以分为游动的和非游动的，而对于游动运动，根 据英国学者Breder)在1926年对鱼的分类，如果鱼是通过弯曲自己的身体和/或尾鳍来 产生推力，这种运动方式称之为身体/尾鳍(BCF:body and/or caudal fin)推进模式，鳗鱼、 金枪鱼和鲨鱼可以归于这一类模式，如图1.1()所示。如果鱼是用它们的中央鳍，这包 括臀鳍、背鳍和胸鳍，或对鳍，这包括腹鳍和胸鳍，作为推进部位，则这种方式称为中 万方数据
大连理工大学博士学位论文 1绪论 在自然界中，鱼类是灵巧的游泳者，它们的游动能力各具特色，游动方式千姿百态。 而鱼类的水中运动能力在于它们能够对水流的完美控制，这吸引了众多学者去研究它们 运动的机制，并根据它们来研制仿生机器鱼【l】。 1．1 研究目的和意义 对于水生动物里的鱼类，它们的形体及运动机理是生物学家和工程师关心的问题， 对它们的研究做了大量的工作。鱼类作为水中生活动物，鱼类种类繁多，外形上的差距 很大【21。在它们的运动方式中，主要是通过自身身体的运动实现与周围流体相互作用【3J， 这是因为它们能够充分利用流体力学原理，具有非常高的游动效率，适合各种不同的环 境。 英国生物学家James Grayl4】在1936年，提出了一种有关海豚游动的计算的模型，该 模型分析海豚身形在水中运动时的阻力，考虑海豚以20节的平均速度游动，讨论海豚 游动过程中的做功，计算该功时可用阻力乘距离(海豚每日游动)，同时，为了推算出 海豚能够用于游动的能量，他还记录了海豚每日摄取的食物含量，然后他得到一个令人 不可思议的结论：海豚所做的功是其食物热量的7倍之多。Gray在这些观察和计算的基 础上，提出了一个疑题：海豚的游动效率远远超出了100％。虽然属于哺乳类动物，但 海豚是具有同鱼类类似的外形和相同的运动方式，因此人们将这个结论用于整个鱼类， 称为Gray悖论。 自然界鱼类的游动具有得天独厚的本领，通过应用鱼类的游动机理来设计自主式水 下航行器的推进系统【5J，对常规螺旋桨式的水下推进器来说，这是另一种推进方式。通 过探讨鱼类高速、高效、灵活游动机制可以促进仿生机器鱼的研究、开剔6。。 1．2鱼类运动的研究现状 1．2．1鱼类游动模式的研究 鱼类表现出来的各种各样的运动可以分为游动的和非游动的，而对于游动运动，根 据英国学者Brederl『7J在1926年对鱼的分类，如果鱼是通过弯曲自己的身体和／或尾鳍来 产生推力，这种运动方式称之为身体／尾鳍(BCF：body and／or caudal tin)推进模式，鳗鱼、 金枪鱼和鲨鱼可以归于这一类模式，如图1．1(a)所示。如果鱼是用它们的中央鳍，这包 括臀鳍、背鳍和胸鳍，或对鳍，这包括腹鳍和胸鳍，作为推进部位，则这种方式称为中 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 央鳍/对鳍(MPF:median and/or paired fin)推进方式，像鳐鱼和鲀鱼等属于这一类游动模 式，如图1.1(b)所示。 (I)鳗鲡模式：用这样的模式游动的鱼都有一个长的，纤细且非常灵活的身体。它 们的游动特点是整个身体都作为推进器，身体呈现的波形是至少大于一个完整波形，从 而使侧向力都基本抵消掉了，于是行进单位距离所需能量最少。另外，它们可以通过改 变身体波动的传播方向而实现倒退游动)，像鳗鱼、无脊椎动物类的文昌鱼等都是这种 游动模式的典型例子。 (2)鲹科模式：这种游动方式的鱼也需要整个身体有从前向后逐渐增加幅值的波动， 它们的身体有一个较窄的尾柄和一个高叉状的尾鳍，且尾鳍具有一定刚度，而推进力也 主要由这个尾鳍产生，其推进速度和效率较高，它们能由尾鳍的来回摆动生成一种正反 交替的离散涡，在鱼的尾后留下尾迹，这种尾迹的结构与一般会产生阻力的卡门涡街相 比，其方向是相反的，因此是一种推力类型的0，像鲭鱼、鲷鱼等是这种模式游动的典 型例子。 Anguilliform Subearangiform Carangiform Thunniform Os中aciiform Undulatory Oscillatory a pectoral dorsal anal anal and dorsal Undulatory Rajiform Diodontiform Amiiform Gymnotiform Balistiform fin motions L-V P Labriform Tetraodontiform Oscillatory fin motions (b) 图1.1 常见鱼类的推进模式，(a)BC℉模式(b)MPP模式⑧1（阴影部分为产生推力的部分） Fig.1.1 Swimming modes associated with(a)BCF propulsion and(b)MPF propulsion.Shaded areas contribute to thrust generation -2- 万方数据
超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟 央鳍／对鳍(MPF：median and／or paired fin)推进方式，像鳐鱼和纯鱼等属于这一类游动模 式，如图1．1(b)所示。 (1)鳗鲡模式：用这样的模式游动的鱼都有一个长的，纤细且非常灵活的身体。它 们的游动特点是整个身体都作为推进器，身体呈现的波形是至少大于一个完整波形，从 而使侧向力都基本抵消掉了，于是行进单位距离所需能量最少。另外，它们可以通过改 变身体波动的传播方向而实现倒退游动【9】，像鳗鱼、无脊椎动物类的文昌鱼等都是这种 游动模式的典型例子。 (2)鲣科模式：这种游动方式的鱼也需要整个身体有从前向后逐渐增加幅值的波动， 它们的身体有一个较窄的尾柄和一个高叉状的尾鳍，且尾鳍具有一定刚度，而推进力也 主要由这个尾鳍产生，其推进速度和效率较高，它们能由尾鳍的来回摆动生成一种正反 交替的离散涡，在鱼的尾后留下尾迹，这种尾迹的结构与一般会产生阻力的卡门涡街相 比，其方向是相反的，因此是一种推力类型的【l…，像鲭鱼、鲷鱼等是这种模式游动的典 型仞I子。 l(￡：H芝竺兰豢一≤兰§一≤飘i 彳≤…～、、＼．、／／／一～』～～一 Undulatory fin motions Oscillalorv fin motions Ostraci(farrtl 匿一，二鲫I 一一一蕊面jti菇卜 [京¨v—mnoti[nrm] Bal厶tilhrm l，，，令弋，，J 弋、：之i、i． ＼、／?《S一 (b) 图1．1常见鱼类的推进模式，(a)BCF模式(b)MPF模式【81(阴影部分为产生推力的部分) Fig．1．1 Swimming modes associated with(a)BCF propulsion and(b)MPF propulsion．Shaded areas contribute to thrust generation 磊、知一小3 删逐脚魔《 一协一髻一 ，Ⅳ^l^¨^一胁哆 e 哩 篓．凹氐拼一声 登小一 万方数据