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水翼法推进机理及仿生系统研究

作　者: 储定慧
导　师: 张铭钧
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水翼法推进运动机理水动力分析仿生系统
分类号: U664.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

水翼法推进是水下运载器新型推进方式的探索性研究工作。研究水翼法推进机理与性能,分析理解仿生系统水翼推进操纵方式,为仿生水下运载器研究和应用提供理论和技术支撑,具有重要研究意义和实用价值。本文围绕水翼法推进动力学模型、柔性变形、水动力性能等水翼法推进机理进行研究,在此基础上研究了水翼法推进载体技术,并进行了实验研究。在生物原型构造特征和运动特性研究基础上,分析了水翼法推进机理。基于拓像法提取水翼和蹼翼的生理参数,作为水翼法推进分析和仿生机构研究的依据。对多目视觉实时监测实验平台获取的图像信息进行分析,以水翼特征角的变化来描述水翼法推进状态,研究了水翼法推进操纵方式。理论分析和流体力学实验相结合,从水翼流体动力作用机制、相似准数和非定常流场作用等角度分析和解析水翼推进机理,研究了水翼法艏向转矩与机动性的关系。研究水翼法推进动力学模型。建立了二自由度水翼运动数学模型,通过广义变换矩阵分析和水翼力学雅可比问题研究,得到水翼的运动学方程和动力学模型,在以微元法研究水翼运动水动力基础上,从流体阻尼简化和流体附加质量的角度分析水翼法推进本体水动力,由牛顿-欧拉方程导出水翼法推进本体动力学模型,为水翼法推进姿态控制提供参考,为水翼法推进控制器的研发提供仿真平台。针对柔性水翼非性线变形问题,从变形量方程和模态分析两个方面进行水翼柔性变形分析。分析了弦向变形和展向变形,从柔性变形量和击水角度改变引发推进效率变化的角度论证了半骼式柔性水翼模型优于完骼式柔性水翼模型。研究水翼法推进的水动力性能,通过水动力数值模拟和流场分析研究水翼运动参数影响规律和尺度律效应。以水翼法推进水动力分析为基础,数值模拟了运动参数变化下的水动力和艏向转矩,仿真实验结果表明了拍旋角速度、位旋角度和位旋旋转时间比对于直航推进的影响规律以及其差动对于艏向的控制作用。通过FLuent软件对水翼运动模型Navier—Stokes方程仿真求解分析了水翼运动非定常流场的演变和作用机理,验证了旋转环流和尾迹捕获等流体作用的理论分析,阐明了水翼展长和弦长对于水翼推进加速度分布和推进力均值的影响规律,为柔性水翼优化设计提供了依据。基于水动力性能分析,提出了一种水翼法仿生推进控制策略。为验证水翼法推进机理分析的正确性及水翼法推进的可行性,研制了水翼法推进仿生系统并进行了实验研究。完成了实验载体的感知系统、控制系统、通讯系统和能源系统设计与调试,完成了实验载体的系统集成,并对载体微小型化进行了技术探讨。通过运动部件单肢实验,进行了拍旋和位旋电机角速度分布特性研究。通过系统静态实验、运动性能实验和柔性推进实验,对水翼法推进机理分析、动力学模型、水翼运动参数变化的影响规律以及水翼法推进的可行性等进行了实验验证。水翼运动实验验证了水翼法仿生推进控制策略的有效性,柔性水翼实验结果表明水翼柔性在高速阶段推进效果优于刚性水翼,验证了柔性水翼改善水翼法推进效能的仿真结论。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
第1章绪论  13-25
  1.1 引言  13
  1.2 仿生推进理论研究现状  13-18
    1.2.1 水下仿生推进理论研究现状  14-16
    1.2.2 仿翼运动理论研究现状  16-18
  1.3 仿生推进载体技术研究现状  18-22
    1.3.1 水下仿生推进载体技术研究现状  18-21
    1.3.2 仿翼运动载体技术研究现状  21-22
  1.4 仿水翼推进关键技术研究  22-23
  1.5 课题来源与本文研究的主要内容  23-25
第2章水翼法推进机理研究  25-41
  2.1 引言  25
  2.2 生物原型构造特征  25-30
  2.3 生物原型运动监测  30-32
  2.4 水翼法推进运动特性分析  32-33
  2.5 水翼法推进机理解析  33-40
    2.5.1 驱动力的产生及作用  33-35
    2.5.2 相似准数  35-37
    2.5.3 旋转环流和尾迹捕获  37-39
    2.5.4 水翼推进与扑翼飞行的差异  39-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章水翼法推进运动研究  41-60
  3.1 引言  41
  3.2 水翼推进本体运动学分析  41-45
  3.3 水翼运动分析  45-53
    3.3.1 水翼运动数学模型  45-48
    3.3.2 水翼运动水动力分析  48-53
  3.4 水翼法推进本体动力学分析  53-59
    3.4.1 水翼法推进本体运动方程  53-54
    3.4.2 水翼法推进本体水动力分析  54-57
    3.4.3 水翼法推进本体动力学方程  57-59
  3.5 本章小结  59-60
第4章水翼柔性变形分析  60-76
  4.1 引言  60
  4.2 柔性水翼模型  60-61
  4.3 水翼弦向变形分析  61-64
  4.4 水翼展向变形分析  64-66
  4.5 柔性水翼模型分析  66-72
    4.5.1 水翼组织模态分析  67-69
    4.5.2 水翼运动参数模态分析  69-72
  4.6 水翼末端轨迹的实现  72-75
  4.7 本章小结  75-76
第5章水翼推进的水动力数值模拟计算与分析  76-93
  5.1 引言  76
  5.2 直航水动力分析  76-78
  5.3 艏向转矩分析  78-81
  5.4 计算流体力学模型分析  81-87
    5.4.1 水翼推进二维数值模拟  82-85
    5.4.2 水翼推进三维数值模拟  85-87
  5.5 变化运动参数的流场分析  87-88
  5.6 水翼几何参数对流场的影响  88-92
    5.6.1 展长参数影响  88-90
    5.6.2 弦长参数影响  90-92
  5.7 本章小结  92-93
第6章水翼法推进仿生系统研究  93-111
  6.1 引言  93
  6.2 总体方案  93
  6.3 体系结构  93-98
    6.3.1 运动单元  94-96
    6.3.2 本体和实验辅备  96-98
  6.4 硬件系统  98-106
  6.5 软件实现  106-108
  6.6 系统集成  108-109
  6.7 本章小结  109-111
第7章仿水翼推进系统实验研究  111-133
  7.1 引言  111
  7.2 水翼推进运动单元实验研究  111-114
  7.3 仿生系统静态实验研究  114-116
  7.4 仿水翼推进系统运动性能实验研究  116-127
    7.4.1 仿生系统直航实验  117-123
    7.4.2 仿生系统转艏实验  123-127
  7.5 柔性水翼推进实验  127-131
  7.6 本章小结  131-133
结论  133-135
参考文献  135-147
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  147-149
致谢  149

水翼法推进机理及仿生系统研究

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