鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究_刘继鑫.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 84 鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究 鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究 刘继鑫1，何 波1，严天宏2（1中国海洋大学 信息科学与工程学部，山东青岛 266000；2中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018）摘 要：摘 要：为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能，对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论，研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算，最佳攻角为 20。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素，确定了计算自推进速度的数值方法，改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示，尾部波动频率是最关键参数，对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。关键词：关键词：鲆鲽鱼；双驱动；仿生机器鱼；水动力；波动推进理论 中图分类号：中图分类号：TP242 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.13 Study on Hydrodynamic of Flounder Dual-Drive Bionic Robotic Fish LIU Jixin1,HE Bo1,YAN Tianhong2(1.Faculty of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,Shandong,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)Abstract:In order to analyze the propulsion pattern of the bionic robotic fish and to predict the underwater propulsion performance,its hydrodynamic characteristics are investigated.Based on flounder dual drive bionic robotic fish and wave propulsion theory,the effect of inlet velocity and fluctuation frequency on self-propulsion performance is studied.The lift-to-drag ratio of the pectoral fins is calculated numerically for different angles of attack,the optimum angle of attack is 20.Through this study,the main factors affecting the motion performance are mastered,the numerical method for calculating the self propulsion speed is determined,and the robotic fish undulation propulsion model is improved.The tail fluctuation frequency is the most important parameter,which has a direct impact on the thrust and starting response speed of the bionic robotic fish.Key words:flounder;dual-drive;bionic robotic fish;hydrodynamic;wave propulsion theory 0 引言引言 传统的水下航行器利用螺旋桨产生推力，螺旋桨的效率低且容易受到侧向涡流的干扰1-4，在高转速的情况下会导致空泡和产生噪声。为满足开发海洋资源和发展“蓝色经济”的需要，从20 世纪90 年代开始，仿生机器鱼成为人们重点研究的对象。仿生机器鱼与传统的水下航行器相比具有高效、噪声低、灵活性高、隐蔽性好等优点。仿生机器鱼的原理是模仿大自然中鱼类的体形和游动姿态对水下航行器进行设计，尽可能达到鱼类自由、灵活、高效的运动状态。仿生机器鱼工作时处于水下环境，在设计时要着重考虑密封、防腐、水下通信等因素，用于深水的仿生机器鱼还要特别考虑耐压特性。仿生机器鱼的设计是一个机械、材料、电子、通信、控制等多学科交叉耦合的问题。鱼类的推进模式大致可分为 2 种：一种是躯体/尾鳍（Body and/or Caudal Fin,BCF）推进模式，另一种是中央鳍/对鳍（Median and/or Paired Fin,MPF）推进模式1-10。BCF 模式的优点是效率高、速度快、加速性能好，缺点是转弯半径大、机动性较差、抗干扰能力低，适合以高速在大范围内游动；MPF 模式的优点是机动性好、稳定性好、抗干扰能力强，缺点是很难实现高速运动，适合以低速在小范围内游动。收稿日期：2022-01-02；修回日期：2022-04-14 作者简介：刘继鑫（1994），男，博士研究生。研究方向：水下潜航器优化设计。通信作者：严天宏（1971），男，博士、教授。研究方向：装备制造与控制，动力学分析与优化。刘继鑫等，鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究 85 鲆鲽鱼躯体扁平，具有良好的平衡性和稳定性。本文基于图 1 所示的鲆鲽鱼生物原型，结合 BCF 和MPF 模式的优点，设计了具有2 个驱动系统的仿生机器鱼，见图 2。高效率的推进系统有助于节省能源、提高续航能力、扩大作业范围，2 个推进系统配合使用会明显提升仿生机器鱼的机动性和灵活性。研究设计多驱动方式并存的仿生机器鱼对水下实际应用具有重要意义。图 1 鲆鲽鱼生物原型 图 2 仿生机器鱼模型 1 仿生机器鱼外形设计仿生机器鱼外形设计 仿生机器鱼的外形影响着运动性能，同一航速下，不同形状的主体会产生不同的阻力，采用流线型低阻外形有助于提高推进系统的效率和总体性能。为了达到高效的推进状态，仿生机器鱼的外形设计遵循了以下 2 个原则：1）重心保持在前进方向的轴线上；2）保证整体侧向力的合力为零。本文所述仿生机器鱼的外形模仿鲆鲽鱼扁平的主体，对局部比例进行了调整以满足壳体内部空间需求，X、Y、Z 等 3 个方向截面形状分别为椭圆、NACA0016 和椭圆，三维形状为扁平椭球体。初步设计完成后得出一系列参数，将参数代入式（1）式（3）计算阻力5,11。2D12Dq V SC=（1）LVRe=（2）()1/21/5Dmax 2.6560.144,CReRe-=（3）式（1）式（3）中：D为阻力；q为因子，解释了“边界层变薄”效应，即与刚性等效物相比，柔性体波动的剪切应力增加，现代数值仿真中q取值为1.12；为水的密度；V为游动速度；S为湿表面积；CD为取决于雷诺数的阻力系数；Re为雷诺数，成年鱼游动的雷诺数在103105之间，在这个范围内升力、加速反应和压差阻力都可促进推力产生5；L为仿生机器鱼的长度；为水的运动黏度，取20攻角时的运动黏度1.003106 m2/s。在SolidWorks中完成建模后，通过评估模块测算出外形的湿表面积和长度，速度设置为0.5 m/s，计算得出阻力值。从式（1）可知阻力和游动速度呈2次方的关系，湿表面积也是关键因素。初步设计的完成后对外形尺寸进行优化，在满足壳体内部空间的需求下尽可能减小外形尺寸，减小仿生机器鱼的横截面积和湿表面积。优化之后仿生机器鱼在0.5 m/s速度下的阻力计算值为0.247 N，几何模型通过ANSYS Meshing进行网格划分，然后导入Fluent完成仿真分析，并将计算结果和仿真结果进行对比。仿真采用SST k-湍流模型，边界条件为速度入口，压力出口，无滑移壁面。边界条件和网格划分见图3，流场分布见图4。图3 边界条件和网格划分 图4 流场分布 网格总数量为1 974 907，平均质量0.85。仿真结果表明：仿生机器鱼以0.5 m/s的速度零攻角游动时平均阻力为0.233 N，计算值比仿真值偏大，误差在6%(a)边界条件(b)表面网格 船舶动力、推进装置和辅机设备 86 左右。优化之后的外形产生的阻力大大减小，主要参数见表1。表 1 仿生机器鱼外形主要参数 参数 数值 参数 数值 长度/mm 408.00 湿表面积/mm2 141 335.00 宽度/mm 292.00 排水量/L 2.73 高度/mm 80.00 2 仿生机器鱼驱动系统设计仿生机器鱼驱动系统设计 2.1 尾部主驱动系统设计尾部主驱动系统设计 卢亚平等12设计的仿生鱼尾部驱动采用的是由2个舵机构成的两关节驱动系统。SHRIYAM等13设计的机器鱼和王文博8设计的MPF/BCF协同推进的仿生机器鱼均采用的是三关节驱动；NILAS等14-15也对三关节驱动系统进行了研究设计。YU等16-20做的仿生机器鱼研究采用的是由4个舵机构成的四关节驱动系统；SULEMAN等21基于SMA设计了四关节驱动的仿生金枪鱼；林海22对四关节的仿生机器鱼进行了结构设计和力学分析。驱动系统的关节数越多，仿生机器鱼的躯体柔性越大，则运动灵活性越高，但运动效率降低，且在多关节串联状态下会导致误差累积。随着关节数减少，仿生机器鱼的躯体刚性增加，运动效率增加，但运动灵活性降低23。首先基于两关节驱动系统进行模拟仿真和实际测试（见图5），试验表明摆幅不到100 mm，两关节系统刚性略大，驱动效果并不理想，综合考虑各部分的结构和尺寸及灵活性，最终尾部采用了三关节驱动方案。将运动模型简化后导入ADAMS软件完成尾部运动姿态仿真，得出的尾鳍位置随时间变化，见图6，尾鳍速度随时间变化见图7。图 5 两关节驱动系统 图 6 尾鳍位置变化 图7 尾鳍速度变化 鱼类游动的水动力学分析过程复杂，水动力学模型在现有分析基础上难以建立，因此在“波动推进理论”24的基础上对鱼类游动的运动学模型5,13,23,25-27进行分析研究。鱼类游动过程中包含由头部传向尾部的行波，BCF模式的运动特征为：游动时前2/3躯体的波动幅度很小，后1/3的躯体波动幅度很大。仿生机器鱼的运动学模型为式（4），改进后的鱼体波曲线为式（5），改进后在行波函数前增加了时间系数，表示从零时刻启动的自推进运动。212(,)()sin()y x tc xc xkxt=+（4）()()20121(,)11 10siny x tcc xc xtkxt=-+.|+（5）式（4）和式（5）中：y为仿生机器鱼横向位移；x为仿生机器鱼轴向位移；t为运动时间；c0、c1和c2分别为波幅包络线的常数项、一次项和二次项的系数；k为波数，k=2/，为鱼体波的波长；为鱼体波角频率，=2f=2/T，f为鱼体波频率，T为波动周期。不同的鱼类应用不同的鱼体波参数集，本仿生机器鱼采用BCF模式的鱼体波参数，初值取c0=0.02，c1=0.08，c2=0.16，k=6.6，=2。用NACA0016作为鱼体的纵剖面，在MATLAB中得出不同时刻的波动姿态见图8，尾部三关节驱动系统见图9。图8 波动仿真曲线 图9 三关节驱动系统 刘继鑫等，鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究 87 尾部三关节驱动系统由3个型号为LD-220MG的双轴数字舵机和具有大展弦比的月牙形尾鳍22,27-30构成。舵机参数见表2；月牙形尾鳍长为125 mm，展长为180 mm，单侧表面积8 825 mm2，湿表面积为29 706.6 mm2，展弦比为3.67，排水量为141 mL，最大击水角为20，材料为PLA。表 2 舵机参数 参数 数值参数 数值