仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法.pdf

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1、第50卷第7期机械工程学报Vo1．5ONO．72014年4月JOURNALOFMECHANICALENGINEEIUNGA2014DoI：1O．3901／JME．2014．07．015仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法水夏丹陈维山2刘军考2曹渝华(1．东南大学机械工程学院南京211189；2．哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080)摘要：从揭示鱼类外形仿生和运动仿生中蕴含的仿生机理出发，提出一种机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法，该方法将流体变量和结构变量同步进行推进，并在每个迭代步内进行子迭代，因而提高

2、了算法的稳定性。将鱼体游动介质分为流体介质、结构介质和相互作用的交界面介质，分别建立三种介质的动力学方程。采用隐式耦合方法，给定鱼体变形为输入，将鱼体运动转移到流体单元上，形成对周围流体的激励，通过求解流体动力学方程得到流体作用力，并将该作用力传递于鱼体，作为外力来驱动鱼体自主游动，从而实现流体和结构的交互过程，最后通过机器鱼的自主游动算例验证了方法的有效性。该方法可以评价不同外形和不同运动规律的机器鱼自主游动性能的优劣，进而为揭示仿生游动机理提供科学依据。关键词：外形仿生；运动仿生；流体结构耦合；自主游动中图分类号：TP24NewMe

3、thodofFluid—structureCouplinginSelf-propelledSwimmingf0rBiomimeticR0boticFishXIADanCHENWeishan2LIUJunkaoCAOYuhua(1．SchoolofMechanicalEngineering，SoutheastUniversity,Nanjing211189；2．StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem，HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080)Abstract：An

4、ewmethodoffluid-structurecouplinginself-propelledswimmingforroboticfishisproposedfromrevealingthebionicmechanisminherentinthebionicshapeandbionicmovementforfish．Thefluidandstructmalvariablesaresimultaneouslyadvancedineachiterationwithinthesub—iteration，andthusthestabilit

5、yofthealgorithmisincreased．Thefishswimmingmediumhasbeendividedintothreemediums，includingfluidme~um，structuralmediumandtheinterfacemediumforwhichthekineticequationsareestablished．Giventhefishkinematicsasallinput，thefishlocomotionistransferredtothefluiddtoformanincentiveon

6、thesurroundingfluid．Thefluidforcesareobtainedbysolvingthefluidequationsandwillbetransferredtofishtobetreatedastheexternalforcestodrivethefishtoswimfreely．Andthustheinteractionofthefishandthefluidisachieved．Finally,thevalidityoftheproposedmethodisverifiedbyusingtheself-pr

7、opulsionexamples．ThismethodCanevaluatethegoodandbadperformancefortheroboticfishswimmingwithdiferentshapesanddiferentlawsofmotion，andprovidescientificbasistorevealbionicswimmingmechanism．Keywords：bionicshape；bionicmovement；fluid—structurecoupling；self-propelledswimming知鱼体

8、外形对游动性能影响很大，因而早期的仿生0前言多以“外形仿生”为主【4J：如流线型身体的剑鱼，其上颌尖长且硬，当它飞速向前时，长剑般的上颌“海阔凭鱼跃”，鱼类高超的游泳技巧、广阔的起到劈水前进的作用，能把半米