某型仿生鱼自主直线巡游速度的影响因素研究.pdf

《某型仿生鱼自主直线巡游速度的影响因素研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、应用数学和力学，第35卷第6期AppliedMathematicsandMechanics2014年6月15日出版Vo1．35，No．6，Jun．15，2014文章编号：1000-0887(2014)06—0674—10⑥应用数学和力学编委会，ISSN1000—0887某型仿生鱼自主直线巡游速度的影响因素研究郝栋伟，王文全(昆明理工大学工程力学系，昆明650500)摘要：深入开展鱼游等生物运动力学机理的研究对日益增长的仿生技术需求具有重要的意义．为此，该文以某型仿生鱼自主游动为研究对象，基于浸入边界法的流固耦合建模思想，以鱼体肌肉提供的主动力为原动，建立了鱼体内力、鱼体运动和外界流体耦

2、合作用的自主游动柔性鱼模型．分别对不同长度尾鳍、不同弹性模量鱼体以及鱼肌肉提供不同作用力下仿生鱼的自主直线巡游进行了数值模拟．分析了鱼自主游动的水动力学特征和鱼体运动特征，揭示了影响鱼游动速度的关键因素及其力学机理．关键词：仿生鱼；流固耦合；浸入边界法；自主游动；游动速度中图分类号：Q692；035文献标志码：Adoi：10．3879／j．issn．1000—0887．2014．06．009引言对游动生物耦合运动特性的研究，通常应用到仿生学当中，以揭示生物运动的力学、变形学等机理¨。]．鱼游动的内在机理是非常复杂的，不仅要考虑鱼的主动控制、与流体相互耦合作用等问题，还要考虑到不同鱼类在

3、不同生活环境中的漫长进化而形成的不同鱼体外形及游动特点．研究某种鱼游动的水动力学特性，最关心的是鱼游动与流体耦合作用问题．传统的流固耦合计算方法在处理生物组织的大变形运动、复杂外形结构及计算效率上具有一定的局限性上世纪70年代发展起来的浸入边界法是求解流固耦合问题的方法之一．它最主要的优点是网格生成简单，计算效率较高，适用于复杂结构外形，且在大变形结构的处理上容易实现，此方法在生物流体力学领域得到广泛的应用．对鱼游动的流体动力学特性进行研究就需要建立较真实的鱼游动物理模型．以往建立的鱼游动模型没有充分考虑鱼游动时的多场耦合情况，如鱼体肌肉产生的能量等．为此，本文以某型仿生鱼作为研究对象

4、，建立了自主游动的柔性鱼模型，该模型较为完整地考虑了鱼体运动受外界环境流体，以及鱼体结构参数和鱼体肌肉提供能量的影响．基于此仿生鱼模型，结收稿日期：2013—11-28；修订日期：2014—04—06基金项目：国家自然科学基金(11262008；11002063)作者简介：郝栋伟(1987一)，男，河北邯郸人，硕士(E—mail：1987hdw@163．com)；王文全(1977一)，男，四川蓬安人，教授，博士(通讯作者．E—mail：wwqquan@126．corn)674郝栋伟王文全675合传统的反馈力方法⋯和混合有限元浸入边界方法’。，对鱼自主游动速度的主要影响因素进行了研究．1

5、自主游动鱼模型的建立本文为了模拟鱼游动时鱼体内力、鱼运动和流体相互耦合的物理状况，在鱼体内附加一个随鱼体运动不断变化的体积力，此力即是鱼运动时肌肉收缩产生的内力．在此体积力作用下鱼开始运动．同时，使用浸入边界法实现鱼运动与外界流场相互作用，这样更能真实地反应鱼体运动时的生理状况．鱼体考虑成各向同性超弹性体，其本构关系为e(s，t)=IX(D—D)，(1)式中，P(s，t)为第一P—K应力张量，D(，t)是弹性体变形梯度张量，tx=E／(2(1+))为弹性材料参数，为Poisson(泊松)比，E为弹性模量．使用NACA0012翼型代表鱼体，总长为，如图1所示．将鱼体分成3段：鱼头段(0～

6、0．5L)、L，鱼尾段(O．5～0．96L)和尾鳍段(0．96L～L)．在鱼体上选取两点和B输出鱼运动位移及速度结果，A点坐标为(0．2L，0)，B点坐标为(O．95L，0)．假设鱼沿一方向直线巡游．对鱼体进行如下控制：1)鱼头段(游动方向控制段)假设鱼头段只在方向运动，采用反馈力浸入边界法在，J段鱼体的Y方向上添加弹性约束，反馈力为F(s，t)=，((5)(S一(s，))，(2)上式中，，c(s)为弹性系数，s为鱼体原始状态下Y方向坐标，X(s，)表示鱼体运动过程中计算得到的鱼头外形的Y方向坐标．此段鱼体的弹性模量设为．2)L，鱼尾段(鱼游动能量产生段)在L段鱼体Y方向上附加一个作用

7、力，模拟鱼肌肉提供的能量．作用力密度呈正弦分布：F=F×sin(21『×(s一0．5L))，(3)y⋯式中，F⋯为最大作用力密度，s为鱼体在方向的坐标．通过鱼肌肉提供的能量控制鱼尾摆动的方式为(i)从0时刻开始至鱼尾B点(0．95L，0)(如图1所示)，Y坐标摆动到0．1L位置，作用力密度为F=F，0≤t≤(X($By)=0．1L)．(4)(ii)从鱼尾日点Y坐标为0．1L位置开始，作用力密度为fF=一F，t(X(s)=0．1L)≤t