SMA驅(qū)動的仿烏賊噴射推進(jìn)器原型研究.pdf

1、隨著海洋資源開發(fā)的深入和仿生學(xué)的進(jìn)步，仿生水下機(jī)器人越來越受到科研工作者的關(guān)注。由于魚類游動效率高，機(jī)動性好，國內(nèi)外研制了多種模仿魚類游動的機(jī)器魚。然而大多數(shù)機(jī)器魚采用身體/尾鰭擺動游動模式，利用電動機(jī)驅(qū)動的剛性關(guān)節(jié)來模擬魚類柔性的動作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且噪音較大，與魚類的游動能力尚有較大差距。烏賊是一種具有高超游動能力的海洋動物，它能夠通過高推進(jìn)力的噴射實(shí)現(xiàn)游動，其速度和靈活性足以與魚類媲美。本文對烏賊的噴射游動進(jìn)行研究，提出并實(shí)現(xiàn)仿烏賊脈沖

2、噴射推進(jìn)器原型。
　　首先，分析了烏賊噴射游動的機(jī)理，烏賊外套膜肌肉組織。研究了噴射游動規(guī)律以及噴射過程中外套膜肌肉的動作。烏賊噴射與火箭噴射原理相似，故采用火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率來計(jì)算其流體推進(jìn)效率。烏賊能夠通過以較低的速度噴射較大質(zhì)量的液體，獲得較高的推進(jìn)效率。在噴射過程中，外套膜中的環(huán)狀肌占主導(dǎo)作用，外膜套的應(yīng)變約為10％。外套膜收縮時(shí)，彈性能存儲，外套膜充水時(shí)，彈性能釋放，從而提高能量利用率。
　　其次，為探索烏賊噴射后

3、的射流周圍的流場，輔助仿烏賊噴射推進(jìn)器設(shè)計(jì)，采用計(jì)算流體力學(xué)中的動網(wǎng)格技術(shù)，對活塞噴射模型和仿烏賊外套膜噴射模型進(jìn)行了研究?；钊麌娚淠Ｐ蜋z驗(yàn)了利用FLUENT軟件模擬噴射流場的可行性。探究不同外套膜收縮速度和噴嘴直徑噴射平均推進(jìn)力的變化。
　　最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿烏賊噴射推進(jìn)器原型。該原型為準(zhǔn)柔性，由仿烏賊外套膜的外套膜段和仿烏賊漏斗的漏斗段組成，采用SMA絲作為致動器。對外套膜段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)討論和試驗(yàn)研究，為增大應(yīng)變，SMA

4、絲采用“V”字形布絲法。對無進(jìn)水膜推進(jìn)器原型進(jìn)行了噴射試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)功能，通電后0.8-1.4s內(nèi)推進(jìn)器平均速度達(dá)到58mm/s，外套膜段最大應(yīng)變達(dá)到8.77%。對有進(jìn)水膜的漏斗段進(jìn)行了進(jìn)水膜動作試驗(yàn)，進(jìn)水膜可以實(shí)現(xiàn)快速大幅度動作并迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，能夠滿足充水過程的動作需要。
　　仿烏賊噴射推進(jìn)器原型無噪音，環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、動作柔和，能夠達(dá)到烏賊慢速游動時(shí)的應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)脈沖推進(jìn)功能，為仿生烏賊水下機(jī)器人的進(jìn)一步研制提供了有益參