基于海洋牧場的小型潛水器驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

1、隨著漁業(yè)資源開發(fā)成本的不斷加大和海洋環(huán)境的不斷惡化，海洋牧場已成為各國競相開發(fā)的領(lǐng)域，它能夠?qū)O業(yè)資源進(jìn)行有效的增殖和保護(hù)與此同時(shí)，對其配套監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展要求越來越高，要求能夠方便有效的監(jiān)測和管理海洋牧場的設(shè)施。
　　針對東極島海洋牧場的復(fù)雜的海洋環(huán)境，傳統(tǒng)的小型觀測型潛水器已經(jīng)無法適應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)對其有效的觀測，本文在利用記憶合金的記憶性能的同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新來設(shè)計(jì)柔性仿生推進(jìn)系統(tǒng)，為后續(xù)研究提供借鑒，起到拋磚引玉的效果。

2、>　　魚類已經(jīng)在地球上生活了五億年之久，長期的自然進(jìn)化使他們能夠在游動中充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，游動靈活且速度快，這其中柔性魚鰭的作用是功不可沒的，已引起很多科學(xué)家的重視，進(jìn)而產(chǎn)生了仿生推進(jìn)器。
　　本文首先對魚類的游動方式進(jìn)行了總結(jié)和研討，通過兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)的比較結(jié)合所設(shè)計(jì)潛水器特點(diǎn)，創(chuàng)新性的將魚類中央鰭/對鰭（MPF）和身體/尾鰭（BCF）推進(jìn)模式結(jié)合起來，以MPF為主要的推進(jìn)模式，設(shè)計(jì)柔性波動胸鰭推進(jìn)器，發(fā)揮其靈活，低速穩(wěn)定性強(qiáng)

3、等優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加入了BCF模式中的尾鰭結(jié)構(gòu)，一方面可以輔助配合胸鰭實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)彎、增強(qiáng)低速游動時(shí)的穩(wěn)定性等，另一方面可以作為較長距離巡游時(shí)的推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)高速推進(jìn)。
　　在驅(qū)動器的選擇上，結(jié)合本文所需小型潛水器的性能特點(diǎn)，我們選擇形狀記憶合金作為仿生鰭的驅(qū)動源。首先對設(shè)計(jì)的波動鰭系統(tǒng)進(jìn)行了整體的動力學(xué)仿真以確定其仿生鰭個(gè)數(shù)、仿生鰭整體形狀等特征，從穩(wěn)定性和減阻性入手，綜合分析結(jié)果，選擇了流水形胸鰭的中部四鰭配置方式，接著對重要部件

4、——仿生鰭的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其最大的特點(diǎn)就是要能夠?qū)崿F(xiàn)柔性的三自由度運(yùn)動，最大程度的模仿魚類鰭部的波動動作，首先利用香農(nóng)定理結(jié)合波動的需要確定了仿生鰭鰭條根數(shù)并對仿生鰭條進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙的利用SMA合金的形狀回復(fù)效應(yīng)，結(jié)合兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動器的控制，實(shí)現(xiàn)了鰭條兩個(gè)自由度的柔性運(yùn)動，為了實(shí)現(xiàn)仿生鰭三個(gè)自由度的柔性運(yùn)動，我們緊接著設(shè)計(jì)了能夠進(jìn)行一個(gè)自由度擺動的仿生鰭基座，在基座的帶動結(jié)合鰭條的兩個(gè)自由度運(yùn)動，成功實(shí)現(xiàn)了仿生鰭的三自由度運(yùn)

5、動，在鰭條之間蒙上了一層高彈性、高伸縮率的硅膠薄膜，模仿魚類“蹼”的作用，使得仿生鰭的擺動實(shí)現(xiàn)柔性的效果，同時(shí)根據(jù)所設(shè)計(jì)潛水器的尺寸參數(shù)確定了其電源和控制系統(tǒng)。
　　在仿生波動鰭基本結(jié)構(gòu)確定下來后，需要對仿生鰭進(jìn)行性能分析和水動力學(xué)仿真，這就需要以仿生鰭的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型作為基礎(chǔ)，將兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動器分別單個(gè)啟動、同時(shí)啟動的三種鰭條運(yùn)動模式建立了運(yùn)動學(xué)模型，然后對雙驅(qū)動器同時(shí)停止工作的模式進(jìn)行了彈性薄膜約束力和流體阻力的動力學(xué)建模，

6、通過建模一方面為將要進(jìn)行的水動力學(xué)仿真和分析提供基礎(chǔ)模型，另一方面可以直觀的通過模型公式看出各個(gè)參數(shù)對仿生鰭推進(jìn)性能的影響。
　　仿生鰭波動方式的選擇是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，利用FLUENT軟件通過對兩種常見的波動方式進(jìn)行水壓分布、速度分布的仿真和阻力系數(shù)的數(shù)值模擬，綜合這些要素比較出兩種波動方式的優(yōu)劣之處，選擇了最適合本文所設(shè)計(jì)潛水器性能的波動方式。
　　尾鰭在所設(shè)計(jì)潛水器中一方面起到輔助胸鰭保持平衡的作用，另一方面可以作為

7、潛水器在海洋牧場中進(jìn)行較長距離游動的推進(jìn)器，文章中對尾鰭進(jìn)行了形狀和機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在形狀的選擇上，通過對三種不同形狀尾鰭進(jìn)行建模、水動力學(xué)仿真，對其阻力、推進(jìn)穩(wěn)定性等進(jìn)行比較，選擇了滿足需求性能的月牙形尾鰭，在尾鰭的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分別設(shè)計(jì)了單自由度和二自由度的尾鰭機(jī)構(gòu)，通過建模對各種參數(shù)的比較，選擇了二自由度尾鰭機(jī)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)其性能選擇了其制造材料和驅(qū)動電機(jī)，并對其整體空間立體擺動情況作了介紹。
　　本文在需要工作在狹窄、