鳗鲡科鱼类变刚度特性对推进性能影响研究

作     者：张旭尧 崔祚 尹存宏 程安楠 Zhang Xuyao;Cui Zuo;Yin Cunhong;Cheng Annan

作者机构：贵州大学机械工程学院贵阳550025 贵州理工学院航空航天工程学院贵阳550003 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年第56卷第1期

页      面：273-284页

核心收录：

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0836[工学-生物工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(12002097,12262006) 贵州省自然科学基金(ZK-266,5789-20) 贵州理工学院高层次人才(XJGC20190956)资助项目 

主　　题：鳗鲡科鱼类 肌肉驱动 变刚度 游动性能 

摘      要：生物学研究表明,波动推进鱼类的鱼体刚度对其推进性能有着重要影响,通过改变鱼体刚度可获得优异的游动特性,但鱼类肌肉驱动模式与鱼体刚度和游动性能的关系尚不清晰.鉴于此,文章以鳗鲡科鱼类作为研究对象,基于黏弹性梁理论和Taylor流体理论,建立由生物学钙离子肌肉驱动的鳗鲡科鱼类游动模型,研究肌肉驱动和鱼体刚度变化对推进性能的影响.结果表明,肌肉驱动力随刚度增加呈先快速增加后缓慢下降的变化趋势,而随着肌肉驱动力增加,鱼体游动速度随刚度增加而增加并逐渐趋于稳定.当肌肉驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时,游动速度和启动加速度可分别提升55%和129%,可见增大鱼体刚度可显著提升推进性能.为了验证上述结论,设计了基于串并联结构的变刚度实验平台,实验表明鱼体的变刚度特性能显著提升推进性能.当舵机驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时,通过统一变化弹簧刚度大小推力可提升2.5倍.上述研究结果可为改变鱼体刚度提升游动性能提供参数设计指导,为研制变刚度仿生机器鱼提供理论依据.