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题名刚柔耦合仿生胸鳍结构设计与动力学分析
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作者
郑力新
李宗刚
王治平
黎斌
夏广庆
康会峰
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机构
兰州交通大学机电工程学院
兰州交通大学机器人研究所
大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室
北华航天工业学院河北省跨介质飞行器重点实验室
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出处
《中南大学学报(自然科学版)》
北大核心
2025年第5期1826-1838,共13页
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基金
国家自然科学基金资助项目(61663020)
甘肃省科技厅重大专项项目(24ZDGA014)
+2 种基金
甘肃省高等学校产业支撑计划项目(2022CYZC-33)
大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室开放课题资助项目(GZ22119)
兰州交通大学军民融合创新团队培育基金资助项目(JMTD20221)。
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文摘
为描述刚柔耦合胸鳍鳍条运动关系和分析鳍面主被动变形特性,提出了一种多鳍条协同驱动的胸鳍波动方程,建立了胸鳍水动力学模型。首先,基于生物学对鱼类胸鳍形态与结构的相关研究,设计了一类由刚性鳍根-弹性鳍条-柔性鳍膜组成的刚柔耦合胸鳍简化结构;其次,根据鱼类胸鳍波动规律,基于简化的准定常流体阻力模型建立了鳍条运动学和动力学模型,结合欧拉-伯努利梁基本假设推导出鳍条的运动控制方程;然后,利用有限元法对鳍条的运动控制方程进行离散化,结合傅里叶级数拟合得到刚柔耦合胸鳍的波动方程;最后,通过数值模拟和实体实验验证了所得波动方程及水动力学模型的准确性。研究结果表明:胸鳍波动方程涵盖鳍条截面、长度、数量、根部间距、根部夹角、刚度以及鳍条运动特性等参数,具有较高的运动自由度,能够有效模拟鱼类胸鳍的复杂运动行为,适用范围广泛;鳍条刚度与胸鳍波动方程的正弦项系数呈正相关,与余弦项系数呈负相关,刚度越小,胸鳍波动变形越明显;在相同的运动参数下,随着刚度系数增大,胸鳍的平均推力和最大峰值推力均下降,且下降趋势逐渐趋于平缓,故柔性可显著提高胸鳍的推进性能。
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关键词
刚柔耦合胸鳍
胸鳍波动方程
动力学模型
欧拉-伯努利梁理论
鳍条刚度
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Keywords
rigid-flexible coupled pectoral fin
pectoral fin fluctuation equation
dynamic model
Euler-Bernoulli beam theory
stiffness of fin ray
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分类号
TP242
[自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
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