关于飞行和游动的生物力学研究

论述了飞行和游动生物力学的任务和意义,以及重大科学问题和与仿生技术相关的重大需求,并概要地介绍了与生物外部流体力学有关的科学问题、研究现状以及我国现有的研究基础和特色.文中针对如下若干重点科学问题进行了论述,具体包括Gray疑题及鱼类阻力的测定问题、鱼类机动运动的特征和机理、鱼类游动的流-固耦合及整体模化等交叉问题、昆虫运动的非定常流动控制机理和能耗、昆虫翼的柔性变形效应及抗风机制、昆虫和鱼的自由运动的运动学和动力学测量.图0参72      

The design process of a self-propelled floor crane

In order to prevent the hazards associated with the crane application in workshops and factories, a self-propelled hydraulic floor crane with wire remote control was designed. The main focus was directed on remote control of the crane operations such as rotation of booms, rear and forward movements, changing travel speed, steering, braking and hook rotation. This configuration prevents the hazards and damages which may be created due to the proximity of operator to crane and provides the feasibility of utilizing the crane in crowded manufacturing areas, fields and hazardous environments. Research into the stability of crane on a slope route was also performed to obtain the equations of stability in static and dynamic conditions and recognition of the ways to enhance the stability. To validate the research work, a scale-model prototype was built to test the manner of controlling the crane operations from afar.     

鱼类波状游动的推进机制

本研究数值模拟了狭窄通道内的三维自推进鱼体游动,其中鱼体摆动方向与上下壁面平行。研究发现,在相同雷诺数(Re)下,随着通道变窄(上下壁面间隙减小),鱼体游速增快,功耗降低。在较高雷诺数(Re=2600)下,本研究的壁面间隙范围内,功耗始终低于自由游动,而在较低雷诺数(Re=410)下与自由游动功耗相比,存在不同的间隙区间。进一步研究了Re数的影响,结果表明,相同通道高度下,随着Re数降低,鱼体游速降低,但始终高于自由游动,鱼体功耗提高,但始终低于自由游动。最后,为了探究其中的物理机制,分析了鱼体产生的涡旋结构和涡量场,发现壁面效应提高了尾流射流强度,从而增大游速和降低功耗。相反地,Re数下降导致尾流射流强度下降和模式改变,从而减小游速和提高功耗。

     

鱼类巡游中的活体肌肉力学性能预测

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

基于序列图像的鱼游运动机理分析

自上世纪60年代起,鱼游运动机理分析一直是研究的热点之一。本文提出了一种基于序列图像的鱼游运动机理分析方法,从图像处理的角度来分析鱼游运动机理问题。该方法首先通过图像差分得到鱼体的轮廓,然后利用能量函数自动抽取游动鱼体的体干曲线。在此基础上,通过样条曲线参数拟合进一步得到鱼体游动时体干曲线形变的准确数据和各种运动学参数。以黑鳍鲨稳态游动为例,本文还建立了鲹科模式游动的运动学参数模型并讨论了模型中参数对鱼体游动的影响。实验表明,相比于传统方法,本文所提出的方法无需对实验环境和对象加以限制,可以自动获得鱼类游动时的体干曲线形变的准确数据,从而据此建立更加真实有效的鱼游运动学参数模型。     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.     

并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了两条并列仿生鱼在不同间距下的同相位和反相位自主游动。通过与相同游动参数下单条仿生鱼自主游动的比较,可以得到结论：（1）并列自主游动的速度小于单条鱼游动的速度,并且随着间距减小而减小。相同间距下,反相位并列游动时的速度大于同相位;（2）并列游动时的阻力均大于单条鱼,且随着间距减小而增大;（3）反相位游动时功率消耗随间距减小而增大,但同相位游动则相反;（4）当间距大于0.5个身长时,推进效率都略有增大。所以,在综合考虑了游动速度和推进效率两方面的因素后认为,鱼群中并列相邻的两条鱼应当以反相位摆动,且侧向间距保持在0.5个身长以上,这与自然界中观察的结果是一致的。     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

鳗鲡模式游动的鱼体变形曲率波的传播特性研究

生物学研究表明, 波动推进鱼类的鱼体刚度对其推进性能有着重要影响, 通过改变鱼体刚度可获得优异的游动特性, 但鱼类肌肉驱动模式与鱼体刚度和游动性能的关系尚不清晰. 鉴于此, 文章以鳗鲡科鱼类作为研究对象, 基于黏弹性梁理论和Taylor流体理论, 建立由生物学钙离子肌肉驱动的鳗鲡科鱼类游动模型, 研究肌肉驱动和鱼体刚度变化对推进性能的影响. 结果表明, 肌肉驱动力随刚度增加呈先快速增加后缓慢下降的变化趋势, 而随着肌肉驱动力增加, 鱼体游动速度随刚度增加而增加并逐渐趋于稳定. 当肌肉驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时, 游动速度和启动加速度可分别提升55%和129%, 可见增大鱼体刚度可显著提升推进性能. 为了验证上述结论, 设计了基于串并联结构的变刚度实验平台, 实验表明鱼体的变刚度特性能显著提升推进性能. 当舵机驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时, 通过统一变化弹簧刚度大小推力可提升2.5倍. 上述研究结果可为改变鱼体刚度提升游动性能提供参数设计指导, 为研制变刚度仿生机器鱼提供理论依据.