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侧喷射流的仿生鱼表面减阻优化研究

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第2期51卷 236-244页

作者：刘国勇宋中鑫朱冬梅北京科技大学机械工程学院北京100083

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面... 详细信息

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面减阻的影响规律.通过Design-expert软件对射流孔的结构参数进行响应面多目标参数优化,进一步分析了不同射流孔的结构参数在相互作用时对仿生鱼表面减阻的影响,最终确定了在距离鱼首5 mm处添加形状为后三角形,高度为6 mm,高宽比为4的射流孔时能够达到比较理想的减阻效果,此时模型的总阻力为2.51021 N,相应的减阻率为6.49%.本文通过深入分析射流孔结构参数的影响,为水下射流减阻技术提供了重要的理论基础和实验指导,为仿生技术在水下流体力学领域的应用拓展了新的可能性.

关键词：仿生鱼减阻数值模拟响应面法

基于CFD-PID方法的仿生鱼自推进运动研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2024年第1期39卷 104-108页

作者：王鹏飞李若欣于凯哈尔滨工程大学青岛创新发展中心青岛266400 哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150000

相较于传统的螺旋桨推进方式,水下仿生推进具有灵活、高效及对环境干扰小等优势。该文在求解不可压N-S方程和牛顿第二定律的基础上,嵌入PID控制算法,构建CFD-PID求解器,模拟主动控制下的仿生鱼自推进运动。通过PID算法动态调节仿生鱼摆... 详细信息

相较于传统的螺旋桨推进方式,水下仿生推进具有灵活、高效及对环境干扰小等优势。该文在求解不可压N-S方程和牛顿第二定律的基础上,嵌入PID控制算法,构建CFD-PID求解器,模拟主动控制下的仿生鱼自推进运动。通过PID算法动态调节仿生鱼摆幅,间接控制其速度,使仿生鱼可以达到任意特定的收敛速度。与常规方式自推进相比,PID控制自推进能更快地加速到预定速度,且在加速时期产生更大尺度的涡,最终的动态平衡状态则与常规方式自推进一致。

关键词：仿生鱼自推进 PID控制 BCF模式

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某型仿生鱼自主直线巡游速度的影响因素研究

应用数学和力学 2014年第6期35卷 674-683页

作者：郝栋伟王文全昆明理工大学工程力学系昆明650500

深入开展鱼游等生物运动力学机理的研究对日益增长的仿生技术需求具有重要的意义.为此,该文以某型仿生鱼自主游动为研究对象,基于浸入边界法的流固耦合建模思想,以鱼体肌肉提供的主动力为原动,建立了鱼体内力、鱼体运动和外界流体耦合... 详细信息

深入开展鱼游等生物运动力学机理的研究对日益增长的仿生技术需求具有重要的意义.为此,该文以某型仿生鱼自主游动为研究对象,基于浸入边界法的流固耦合建模思想,以鱼体肌肉提供的主动力为原动,建立了鱼体内力、鱼体运动和外界流体耦合作用的自主游动柔性鱼模型.分别对不同长度尾鳍、不同弹性模量鱼体以及鱼肌肉提供不同作用力下仿生鱼的自主直线巡游进行了数值模拟.分析了鱼自主游动的水动力学特征和鱼体运动特征,揭示了影响鱼游动速度的关键因素及其力学机理.

关键词：仿生鱼流固耦合浸入边界法自主游动游动速度

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仿生鱼陶瓷餐具的设计创作

仿生鱼陶瓷餐具的设计创作

作者：李明璐广西师范大学

学位级别：硕士

我国是陶瓷大国,有着悠久的陶瓷历史和灿烂文化。国民对陶瓷用品有着普遍的认知和接纳。民以食为天,中国是世界上人口众多的国家之一,创造了丰富的饮食文化。陶瓷餐具作为陶瓷用品的一部分,与人们的生活密切相关,市场需求量巨大。现在... 详细信息

我国是陶瓷大国,有着悠久的陶瓷历史和灿烂文化。国民对陶瓷用品有着普遍的认知和接纳。民以食为天,中国是世界上人口众多的国家之一,创造了丰富的饮食文化。陶瓷餐具作为陶瓷用品的一部分,与人们的生活密切相关,市场需求量巨大。现在消费者不仅追求陶瓷餐具具备常规的使用功能,更注重其设计感和创造性。所以,掌握消费市场供需的变化,明确消费者的消费需求,使陶瓷餐具设计紧跟市场的步伐,走在时代前列。掌握市场规律,了解消费者需求,把设计与市场需求相结合是本次毕业设计的重点。中华民族独特的鱼文化造就了仿生鱼陶瓷餐具巨大的消费市场,在这个文化环境下笔者对鱼文化的喜爱使得本次选择了仿生鱼陶瓷餐具作为设计的切入点。为了设计作品在产品形态和使用功用上更加合理,在毕业设计开始前期不仅去图书馆进行文献查询,还专程去景德镇进行市场调查,及时把握市场的最新动态,在市场了解一手信息,将信息进行分类整理,从中筛选出有效信息进行分析。餐具是人们生活的必备品,而陶瓷餐具因其造型美观、坚固耐用、无毒无害深受消费者的喜爱,如今消费者不仅追求陶瓷餐具的实用功能,更注重其设计感和时尚性。所以,掌握现代消费需求的变化规律,才能更好进行设计。笔者考虑运用仿生思维进行设计,设计出不仅实用功能完备、设计结构精巧、而且具有象征意义的新型仿生餐具,让设计回归自然,增进人类与自然间的和谐统一。以玻璃为主的综合材料运用使陶瓷餐具色泽层次更加丰富,通过设计丰富了用餐过程中的趣味性和观赏性。独特的创意兼具强大的功能增加了仿生鱼陶瓷餐具的市场竞争力,这也是陶瓷餐具设计的一个新的方向。基于以上实际市场需求和现实条件,结合笔者对仿生鱼陶瓷餐具方向热爱且坚信其市场发展前景,在导师的指导下开展此课题的研究。

关键词：仿生鱼陶瓷餐具系列作品

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仿生鱼胸鳍和尾鳍联合推进数值模拟研究

仿生鱼胸鳍和尾鳍联合推进数值模拟研究

作者：袁琪重庆交通大学

学位级别：硕士

鱼类经过自然界的淘汰和筛选,拥有了流线型的身体和能轻松控制自身姿态的鱼鳍,因此具有十分卓越的游动性能。相较于传统推进装置所采用的螺旋桨推进系统,鱼类所具有的体积小、效率高、机动性好等优点正是新型仿生推进装置需要突破的关... 详细信息

鱼类经过自然界的淘汰和筛选,拥有了流线型的身体和能轻松控制自身姿态的鱼鳍,因此具有十分卓越的游动性能。相较于传统推进装置所采用的螺旋桨推进系统,鱼类所具有的体积小、效率高、机动性好等优点正是新型仿生推进装置需要突破的关键技术问题。传统的实验手段探究仿生鱼类的游动机制,存在复原难度大,捕捉精度低等困难。随着计算机技术的迅猛发展,数值仿真技术为研究仿鱼类推进机制提供了有力的工具,可精确的捕捉仿生鱼推进运动流场特征,为指导新一代水下推进装置研发具有重要的工程价值。本文通过数值仿真工具着重探究仿生鱼类游动机理,为优化选择联合推进方式提供理论支持。数值仿真方法具有成本低、可重复性好、准确度高等优点,文中借助于计算流体力学方法模拟了多种推进模式下仿生鱼在水平方向上的直航自主游动,重点关注了仿生鱼的水动力性能在不同运动模式和运动参数下的变化特性,为优化联合推进方式相关参数而获得更好的运动性能提供了一定的指导意义。首先,通过计算流体方法、动网格技术对仿生鱼相关部位的水动力性能进行了数值模拟,对鱼体的水动力性能、胸鳍摆动水动力、鱼体的自推进运动性能进行了分析。将所得结果与相关文献及实验结果进行了对比,并对网格收敛性和时间步收敛性进行了结果分析,发现本文所采用的数值计算模型能够对鱼体的水动力、胸鳍的水动力、鱼体自推进速度等参数进行有效求解,验证了本文采用数值计算方法的准确性和可靠性。其次,通过将BCF模式下鲹科鱼类置于计算域之中,改变波动频率、波数、振幅等运动学参数,探究不同运动学参数下身体尾鳍推进模式下的推进性能。重点探究和分析推进速度、推进效率、纵向力、侧向力、鱼体表面压力分布及尾涡结构等参数变化情况,分析不同频率、波数、振幅运动学等特征参数对仿生鱼游动推进性能的差异,揭示最佳仿生鱼游动推进特征形态。然后,研究MPF模式下隆头鱼科的鱼类胸鳍运动规律,构建胸鳍摆动数值模型,通过改变二自由度升力模型下的拍动角平均值、纵倾角平均值、三自由度下前后拍动相位差等运动学参数,对游动过程中的仿生鱼体游动速度、纵向力进行分析。重点聚焦于表面压力分布和流场涡结构变化情况,揭示升力模式下胸鳍的二自由度及三自由度运动推进模式下的推进性能,阐明不同参数下胸鳍推进性能变化机理。最后,研究分析身体尾鳍摆动与胸鳍摆动运动联合运动,建立胸鳍-尾鳍联合推进模式下的数值计算模型。通过构建仿生鱼在身体尾鳍和胸鳍的摆动的作用下持续向前推进运动形式,分析不同身体尾鳍的摆动频率和不同胸鳍运动模型下胸鳍-尾鳍联合推进游动速度、游动效率、纵向力变化,同时重点观察鱼体表面压力分布与尾涡结构,进一步揭示了推进力的来源及推进性能的差异性,提出的数值模拟结果及相关结论为联合推进模式的仿生机器鱼研制与发展提供一定的技术支持。

关键词：数值模拟仿生鱼联合推进自主游动推进效率

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仿生鱼游动与运动控制的数值分析技术

仿生鱼游动与运动控制的数值分析技术

作者：徐晓锋上海交通大学

学位级别：硕士

随着陆地资源的日益枯竭,人类不得不将目光转向其它地方。而占地球总面积高达71%的海洋不仅蕴藏了巨大的能源与矿藏,而且相比于向其它星球要资源,向海洋要资源更为实际,也更为有效。目前的人造航潜器和水下机器人等以常规推进方式驱动... 详细信息

随着陆地资源的日益枯竭,人类不得不将目光转向其它地方。而占地球总面积高达71%的海洋不仅蕴藏了巨大的能源与矿藏,而且相比于向其它星球要资源,向海洋要资源更为实际,也更为有效。目前的人造航潜器和水下机器人等以常规推进方式驱动的水下运动装置存在起动、加速和机动性能差以及隐蔽性能差等缺点。而鱼类在水中穿梭自如的运动,一方面巧妙地利用了流体力学原理,从而获得了惊人的巡游性能和机动性能。另一方面,鱼类还能利用一切可以利用的水流中的能量,如波浪、涡流等,来提高推进效率。所以,鱼类对进行人造航潜器和水下机器人的研究具有广泛的借鉴和指导意义。正是出于这样的目的,本文通过运用人工伪压缩方法求解了三维不可压缩非定常N-S方程,探讨了金枪鱼和鲤鱼自主游动的问题,建立了金枪鱼以及鲤鱼自主游动数据库,并研究了仿生鱼游动运动控制的问题。本文的主要工作以及数值模拟的结论主要有以下几个方面:首先,在已有的基础上,成功发展了鱼体网格生成程序,通过此程序,在得到鱼体外形的条件下,可以生成任意流线型外形的鱼体网格。其次,通过对鲤鱼以及金枪鱼自主游动进行模拟,以及调整影响其运动的控制参数(频率、摆幅、波长、雷诺数等),形成了鲤鱼和金枪鱼的数据库。通过整理分析对比仿生鱼前游速度以及受力,可以发现以下几点特征:(1)摆幅对于速度的影响是明显的,当摆幅增加时,速度也按照相同的量级增加;对于受力的而言,当摆幅增加时,其对推力的影响是有限的,而压差阻力和摩擦力则也按照相同的量级增长。(2)频率对于速度的影响是显著的,并且相较与摆幅而言,更为突出;频率对于受力的影响也是显著的,并且这三个力都是同等程度增加的。(3)波长对于速度的影响是多样性的,波长增大对于速度几乎没有影响,其影响主要体现在“延时(滞后)效应”上,并且波长对于速度的影响与其它参数是耦合在一起的;对于受力而言,波长的影响也是多样性的,与对速度的效果相反,对受力的影响主要体现在“提前效应”上,并且波长对于受力的影响也是与其它参数耦合在一起的。(4)雷诺数对于速度的影响是积极的,雷诺数增大,速度也相应地增大,但是增加的幅度逐渐减小;对于受力的影响是各不相同的,雷诺数增大,其推力也相应地增大,幅度逐渐减小,而压差阻力和摩擦力则是逐渐减小的,并且减小幅度显著,特别是摩擦力。最后提出了结合嵌套网格引入偏转角来实现仿生鱼运动轨迹的控制,主要探讨了很有代表性的O型以及S型轨迹的控制,并且揭示影响其运动轨迹的因素。通过计算,发现可以调整摆动频率以及摆幅来改变其运动轨迹;也可以通过调整偏转角来增大或者减小运动轨迹覆盖范围。同时通过研究生成的涡,发现涡环的形成和改变是使仿生鱼向前游动或者转弯运动的根本原因。

关键词：仿生鱼波动运动 N-S方程数值模拟自主游动运动控制

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智能仿生鱼系统的设计与实现

计算机工程与设计 2022年第5期43卷 1467-1476页

作者：周梦园吴君钦夏乐黄敏江西理工大学信息工程学院江西赣州341000

针对传统渔业养殖中渔场巡查和水质监测中大量人力物力损耗的问题,设计可实现自动化养殖的仿生鱼系统。集成循迹避障模块、定位模块和实时图像采集模块,搭载蚁群优化算法实现最优路径规划的水面航行和水面监测功能;集成水质监测传感器模... 详细信息

针对传统渔业养殖中渔场巡查和水质监测中大量人力物力损耗的问题,设计可实现自动化养殖的仿生鱼系统。集成循迹避障模块、定位模块和实时图像采集模块,搭载蚁群优化算法实现最优路径规划的水面航行和水面监测功能;集成水质监测传感器模块,搭载主成分分析算法实现实时水质评价;集成压水舱采样模块实现远程水体采样。仿真结果表明,该系统具备良好的路径规划和水质评价性能,可有效推动自动化养殖的实现。

关键词：仿生鱼蚁群优化算法路径规划主成分分析法水质评价

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基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼设计

机械设计 2022年第S1期39卷 63-66页

作者：刘永康李红双苏靖博沈阳航空航天大学机电工程学院辽宁沈阳110136

针对水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测和水草缠绕,而传统式仿生鱼推进效率低等问题,设计了一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼。利用蓝牙与仿生鱼连接,实现了遥控器和手机两种方式控制仿生鱼左右转向、上浮下沉、实时观... 详细信息

针对水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测和水草缠绕,而传统式仿生鱼推进效率低等问题,设计了一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼。利用蓝牙与仿生鱼连接,实现了遥控器和手机两种方式控制仿生鱼左右转向、上浮下沉、实时观测等功能。通过SolidWorks软件对装置进行了三维建模和仿真分析,结果显示:在仿生鱼使用过程中,万向节联轴器最大应力远远小于屈服应力,且无应力集中现象,满足使用要求。制作了装置模型实物,进行了试验测试,结果表明:实物模型尺寸为103 mm×460 mm×831.6 mm,选用GM25电机,左右转向时间需要约5.50 s,鱼身弯曲时间约1.15 s即可完成,上浮下沉0.2 m时间约8.19 s。装置环游2 m×3.2 m水池完成时间约为67.63 s。装置在各项试验测试过程中运行稳定,无卡顿现象。该装置提高了仿生鱼的推进效率,为新型仿生鱼的设计提供了依据。

关键词：柔性侧鳍仿生鱼试验测试

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一种新型柔性尾鳍推进的仿生鱼设计与研究

一种新型柔性尾鳍推进的仿生鱼设计与研究

作者：邓永超河南大学

学位级别：硕士

传统的水下推进器存在很多的不足之处,比如有推进效率低、灵活性差、噪声大等,仿生鱼是一种借鉴了真实鱼类游动特征的新型水下推进装置。鱼类运动非常复杂,当前研究者们多使用多关节的串并联结构来模拟其运动,此种装置设计方式降低了机... 详细信息

传统的水下推进器存在很多的不足之处,比如有推进效率低、灵活性差、噪声大等,仿生鱼是一种借鉴了真实鱼类游动特征的新型水下推进装置。鱼类运动非常复杂,当前研究者们多使用多关节的串并联结构来模拟其运动,此种装置设计方式降低了机械传动效率,采用“一尾多用”方式来实现鱼类游动模态的改变,也增大了仿生鱼游动控制的复杂程度,降低了游动的灵活性。针对当前存在的问题,本课题探讨设计了一种具有柔性鱼尾的仿生鱼水下推进装置,基于一个单独的柔性单元的仿生鱼可以更好地实现复杂的模拟真实鱼类游动方式。单一激励信号施加于柔性鱼尾,输入的能量由其中的惯性和弹性存储并由粘性耗散,减少能量的损失浪费,很大程度的提高了能量利用率,推进装置在谐振频率附近达到很高的游动效率。在当前仿生鱼的设计和研制中,多采用的是“一尾多用”方案,此方案要求尾部结构复杂,控制难度高。本课题提出一种将仿生鱼水下直行和转弯运动分开控制的方案。该方案使游动结构得到简化,并增加了游动模态改变的灵活性,降低了控制的复杂性。主要研究工作如下:(1)探索分析真实鱼类游动机理,根据流体力学知识,对BCF推进方式的鱼类在鱼尾摆动过程中产生的推进力进行分析。为仿生鱼鱼体结构制作和驱动装置设计提供参考。(2)选择鯵科鱼类鲤鱼作为仿生对象,以鲤鱼鱼体各部位结构参数为依据,设计制作仿生鱼三维模型和柔性尾鳍。根据电流的磁效应原理和机械设计知识,设计仿生鱼驱动装置和传动结构和游动模式切换装置。来实现仿生鱼的游及方向的调控。(3)设计了基于X281XDSP的软硬件控制系统,通过基于VISA串口的LabVIEW通信上位机实现对仿生鱼游动的在线控制。利用目标跟踪系统得到仿生鱼游动轨迹曲线,使用图像处理的方法来实现对实验数据的测量。最后,本文对仿生鱼实验结果进行分析,探索仿生鱼游动速度与柔性鱼尾摆动参数之间的关系。得出了在其他影响因素参数值一定时,游动速度与尾鳍摆动频率呈二次曲线关系。验证了本课题提出的仿生鱼游动模态改变的方法的可行性。本课题设计的仿生鱼转弯半径主要受两个因素的影响,分别是尾鳍摆动频率和鱼体内质量块转动的角加速度。并分别对两个因素的影响作了分析,可调整两个影响因素的参数值,来达到要求的转弯半径。

关键词：仿生鱼驱动结构游动模态推进性能