致谢 Y2063264 致谢 本文即将完成之际，首先向导师杨灿军教授致以最衷心的感谢。从本科大五进入课 题组开始，杨老师便在我的课题研究、工作生活各方面都给予了极大的关心和照顾，为 我及早确立了课题研究的方向，并在整个课题研究过程中，对论文的选题，课题的研究 方法，技术路线和论文的撰写等都给予了精心的指导和孜孜不倦的教诲。杨老师学识广 博，工作勤奋敬业，为人宽厚谦和，对学生关爱有加，不管是做人还是做事方面都是我 学习的楷模。 感谢导师组成员美国乔治亚理工大学的Kok-Meng Lee教授。作为机电领域的国际 知名学者，Lee教授超高的学术造诣，严谨的治学态度，以及开阔的研究思路，使我受 益良多。感谢您在课题的研究方法及论文撰写方面给子的悉心指导，在此送上我最诚挚 的祝福。 感谢本课题组的全体老师和同学。感谢陈鹰教授、金波副教授、李德骏副教授等老 师们的指导和帮助，感谢同项目组的郑精辉硕士的辛勤劳动及耐心指导，感谢王东海、 张译中、苏琦等博士生，谢延青、杨寅等硕士，王世全、张弛、桑薇薇、马福楠、刘统、 魏谦笑等本科生同学的大力帮忙，感谢实验室张佳帆、赵伟、吴世军、谭春阳、李泽松、 黄豪彩、范双双、金玉珍、陈燕虎、孟启承、彭时林等博士生及王杭州、诸敏、周丽娟、 孙辉、林鳞、余晖、严华、黎开虎、杨磊、李风波、黄铎佳、张继园等硕士生及其他兄 弟姐妹在课题、工作及生活等方面的关心及帮助，在实验室共同渡过一段美好难忘的时 光。 感谢同窗好友吕艳，你我十年的大学情意，是我一辈子的美好回忆，祝福你会越来 越好。感谢所有和我同宿舍过的室友，你们在学习上对我的鼓励，在生活上对我的的照 顾和包容，让我成长，让我感动，祝福你们每一位。 感谢我的父母。在学业完成之际，只言片语已难以尽表我的感激之情，你们的言传 身教让我学会怎样做人做事，你们的无私付出、无限包容和理解给了我继续前行的动力， 谨向培养我的父母表示由衷的感谢和崇高的敬意，这篇论文的即将付梓是对你们付出的 最好回报。感谢我的哥嫂和妹妹，你们默默的关怀和付出是对我最大的鼓励，让我有勇 气乐观的面对一切困难。还有可爱的小侄子，你的出生和成长给我带来太多快乐。祝福 我的父母和家人，希望你们永远身体健康，平安快乐。 I
致谢 致 谢 本文即将完成之际，首先向导师杨灿军教授致以最衷心的感谢。从本科大五进入课 题组开始，杨老师便在我的课题研究、工作生活各方面都给予了极大的关心和照顾，为 我及早确立了课题研究的方向，并在整个课题研究过程中，对论文的选题，课题的研究 方法，技术路线和论文的撰写等都给予了精心的指导和孜孜不倦的教诲。杨老师学识广 博，工作勤奋敬业，为人宽厚谦和，对学生关爱有加，不管是做人还是做事方面都是我 学习的楷模。 感谢导师组成员美国乔治亚理工大学的Kok．Meng Lee教授。作为机电领域的国际 知名学者，Lee教授超高的学术造诣，严谨的治学态度，以及开阔的研究思路，使我受 益良多。感谢您在课题的研究方法及论文撰写方面给予的悉心指导，在此送上我最诚挚 的祝福。 感谢本课题组的全体老师和同学。感谢陈鹰教授、金波副教授、李德骏副教授等老 师们的指导和帮助，感谢同项目组的郑精辉硕士的辛勤劳动及耐心指导，感谢王东海、 张译中、苏琦等博士生，谢延青、杨寅等硕士，王世全、张弛、桑薇薇、马福楠、刘统、 魏谦笑等本科生同学的大力帮忙，感谢实验室张佳帆、赵伟、吴世军．谭春阳，李泽松， 黄豪彩、范双双、金玉珍、陈燕虎、孟启承、彭时林等博士生及王杭州、诸敏、周丽娟、 孙辉、林麟、余晖、严华、黎开虎、杨磊、李风波、黄铎佳、张继园等硕士生及其他兄 弟姐妹在课题、工作及生活等方面的关心及帮助，在实验室共同渡过一段美好难忘的时 光。 感谢同窗好友吕艳，你我十年的大学情意，是我一辈子的美好回忆，祝福你会越来 越好。感谢所有和我同宿舍过的室友，你们在学习上对我的鼓励，在生活上对我的的照 顾和包容，让我成长，让我感动，祝福你们每一位。 感谢我的父母。在学业完成之际，只言片语已难以尽表我的感激之情，你们的言传 身教让我学会怎样做人做事，你们的无私付出、无限包容和理解给了我继续前行的动力， 谨向培养我的父母表示由衷的感谢和崇高的敬意，这篇论文的即将付梓是对你们付出的 最好回报。感谢我的哥嫂和妹妹，你们默默的关怀和付出是对我最大的鼓励，让我有勇 气乐观的面对一切困难。还有可爱的小侄子，你的出生和成长给我带来太多快乐。祝福 我的父母和家人，希望你们永远身体健康，平安快乐
浙江大学博士学位论文 本研究得到了国家自然科学基金项目(N0.50675198)和浙江省自然科学基金杰出 青年项目(R1090453)的资助，在此表示衷心的感谢. 由于篇幅有限，无法一一表示谢意，谨再次对在博士阶段学习和研究过程中关心、 帮助和支持我的所有老师、家人、同学及朋友致以最诚挚的谢意！ 刻芳芳 2012年1月于求是园 IⅡ
浙江大学博士学位论文 本研究得到了国家自然科学基金项目(No．50675198)和浙江省自然科学基金杰出 青年项目(R1090453)的资助，在此表示衷心的感谢。 由于篇幅有限，无法一一表示谢意，谨再次对在博士阶段学习和研究过程中关心、 帮助和支持我的所有老师、家人、同学及朋友致以最诚挚的谢意! II 刘芳芳 2012年1月于求是园
图目录 图目录 图1-1鱼类推进模式分类… .2 图1-2MP℉鳍波动推进模式鱼类分类… 3 图1-3墨鱼侧鳍波动推进形式… .3 图14柔性鳍波动数值研究概况… .6 图15鳍波动实验研究概况… .7 图1-6BCF典型研究成果… .8 图1-7英国哈利尔特一瓦特大学应用PBA的波动长鳍推进装置9 图1-8美国西北大学带状长鳍推进装置… .10 图1-9日本大阪大学第三代柔性侧鳍推进机器人… 10 图1-10新加坡南洋理工大学研制的柔性鳍推进机器人… 图1-1国防科技大学波动推进装置.12 图1-12北京航空航天大学研制的仿蝠鲼机器人外形图…12 图1-13爱沙尼亚塔尔图大学研制的波动鳍推进器 .13 图1-14SMA驱动的波动鳍仿生推进装置 .13 图1-l5IPMC驱动的柔性鳍推进装置 ::年年年店由转8春004目00银特原0#标移原象8，： 图1-16浙江大学鳍波动推进仿生系统… …14 图2-1鱼体水动力受力分析图… 21 图2-2波动鳍单元受力分析图.… 22 图2-3刚性平板往复摆动周期流体压力场变化…26 图2-4流固耦合简例速度场变化… 27 图3-1基于带状长鳍波动推进的黑魔鬼刀鱼 .29 图3-2柔性长鳍结构示意图… .30 图3-3柔性长鳍外缘长度和波形关系 .31 图34柔性长鳍外形示意… 32 图3-5柔性鳍波动性能实验… 33 图3-6波动鳍波动性能实验结果 .34 图3-7波动鳍空间运动模型仿真结果… .36 图3-8柔性长鳍波动三维流场计算模型 .38 XⅪ
图目录 图目录 图1．1鱼类推进模式分类………………………………………………………………2 图1-2 MPF鳍波动推进模式鱼类分类…………………………………………………3 图1．3墨鱼侧鳍波动推进形式………………………………………………………………………．．3 图14柔性鳍波动数值研究概况…………………………………………………………6 图1．5鳍波动实验研究概况……………………………………………………………7 图1．6 BCF典型研究成果………………………………………………………………8 图1．7英国哈利尔特一瓦特大学应用PBA的波动长鳍推进装置…………………．9 图1．8美国西北大学带状长鳍推进装置………………………………………………10 图1．9日本大阪大学第三代柔性侧鳍推进机器人…………………………………10 图1．10新加坡南洋理工大学研制的柔性鳍推进机器人…………………………。11 图1．11国防科技大学波动推进装置…………………………………………………12 图1．12北京航空航天大学研制的仿蝠鲼机器人外形图…………………………．．12 图1．13爱沙尼亚塔尔图大学研制的波动鳍推进器…………………………………13 图1．14 sMA驱动的波动鳍仿生推进装置……………………………………………13 图1．15 IPMC驱动的柔性鳍推进装置………………………………………………．14 图1．16浙江大学鳍波动推进仿生系统………………………………………………14 图2．1鱼体水动力受力分析图………………………………………………………．21 图2．2波动鳍单元受力分析图………………………………………………………．22 图2．3刚性平板往复摆动周期流体压力场变化……………………………………26 图2_4流固耦合简例速度场变化……………………………………………………．27 图3．1基于带状长鳍波动推进的黑魔鬼刀鱼……………………………………………29 图3．2柔性长鳍结构示意图…………………………………………………………．．30 图3．3柔性长鳍外缘长度和波形关系………………………………………………．31 图3-4柔性长鳍外形示意……………………………………………………………．．32 图3．5柔性鳍波动性能实验…………………………………………………………．．33 图3．6波动鳍波动性能实验结果……………………………………………………．34 图3．7波动鳍空间运动模型仿真结果………………………………………………．36 图3．8柔性长鳍波动三维流场计算模型……………………………………………．38 ×I
浙江大学博士学位论文 图3-9柔性鳍上下表面压力分布对比，f=4HZ,仁5.125S…42 图3-10压力场、速度场分布，f=4Hz,z0.15m 43 图3-11频率对压力场、速度场分布的影响… …43 图3-12数值计算的推进力周期性变化曲线… …45 图4-】仿生系统整体结构三维图 48 图4-2致动机械鳍的曲柄滑块机构 49 图4-3摆幅调整用偏心轮设计示意图… 49 图44上浮运动过程示意图… 50 图4-5硬件系统总体框图 51 图4-6柔性长鳍波动推进仿生系统实物… 52 图47仿生样机水池运动实验… .52 图4-8仿生样机水下运动推进参数测量实验 .53 图4-9柔性鳍振源端A点仿真速度与实际速度对比曲线54 图410柔性鳍DPIV测量实验… .57 图4-11CCD捕捉的流场快照及对应的速度场图像处理.57 图4-12CFD计算某时刻速度场分布，2Hz.… 58 图5-l第一代样机简易PV实验粒子变化序列图62 图5-2鳍简易PIV实验装置 63 图5-3课题组前期研究工作：墨鱼形态、运动特征测量实验 64 图5-4枪乌贼三角形状柔性双鳍， 64 图5-5致动器结构图 66 图5-6仿生装置壳体 …67 图5-7仿生内部结构示意图 68 图5-8第二代柔性双鳍波动仿生系统…69 图5-9第一代柔性长鳍流固耦合计算模型71 图5-10柔性长鳍波形传递序列图… .73 图5-11柔性长鳍波动周期内推进力变化曲线，f仁4Hz74 图5-12柔性侧鳍波动流固耦合计算模型…75 图5-13柔性侧鳍波动一个周期内压力场分布序列图，f3Hz,y=0.1m…76 图5-14柔性侧鳍波动一个周期内速度场分布序列图，f=3Hz,y=0.1m…77 XII
浙江大学博士学位论文 XIl 图3．9柔性鳍上下表面压力分布对比，仁4Hz，仁5．125s……………………………一42 图3．10压力场、速度场分布，f=4Hz，z=0．15m………………………………………43 图3．11频率对压力场、速度场分布的影响…………………………………………43 图3．12数值计算的推进力周期性变化曲线…………………………………………45 图4．1仿生系统整体结构三维图………………………………………………………48 图4．2致动机械鳍的曲柄滑块机构……………………………………………………49 图4．3摆幅调整用偏心轮设计示意图………………………………………………。49 图4_4上浮运动过程示意图…………………………………………………………………………50 图4．5硬件系统总体框图………………………………………………………………5 1 图4．6柔性长鳍波动推进仿生系统实物……………………………………………．52 图4．7仿生样机水池运动实验…………………………………………………………52 图4．8仿生样机水下运动推进参数测量实验………………………………………．53 图4．9柔性鳍振源端A点仿真速度与实际速度对比曲线…………………………54 图4．10柔性鳍DPIV测量实验………………………………………………………57 图4．1l CCD捕捉的流场快照及对应的速度场图像处理…………………………．．57 图4．12 CFD计算某时刻速度场分布，仁2Hz………………………………………．．58 图5．1第一代样机简易PIV实验粒子变化序列图…………………………………62 图5．2鳍简易PIv实验装置……………………………………………………………63 图5．3课题组前期研究工作：墨鱼形态、运动特征测量实验………………………．64 图5-4枪乌贼三角形状柔性双鳍………………………………………………………64 图5．5致动器结构图…………………………………………………………………一66 图5．6仿生装置壳体…………………………………………………………………．．67 图5．7仿生内部结构示意图…………………………………………………………．68 图5．8第二代柔性双鳍波动仿生系统………………………………………………．69 图5．9第一代柔性长鳍流固耦合计算模型…………………………………………．71 图5．10柔性长鳍波形传递序列图……………………………………………………73 图5．11柔性长鳍波动周期内推进力变化曲线，翩Hz………………………………74 图5．12柔性侧鳍波动流固耦合计算模型…………………………………………。75 图5．13柔性侧鳍波动一个周期内压力场分布序列图，f：3Hz，y=O．1m………………76 图5．14柔性侧鳍波动一个周期内速度场分布序列图，f=3Hz，y=0．1m……………．77
图目录 图5-15柔性侧鳍波动推进力变化曲线78 图5-16第二代柔性双鳍水下推进性能实验 .79 XⅪn
图目录 图5．15柔性侧鳍波动推进力变化曲线……………………………………………．．78 图5．16第二代柔性双鳍水下推进性能实验…………………………………………79 ⅪlI