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.      

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.     

斑马鱼C型起动中动力学特性的活体实验研究

提出了一种从鱼类自主游动的运动学实验数据出发推算其动力学特性的实验研究方法。该方法基于变形体动力学方程,不仅可以计算出变形鱼体的整体转动角速度以完善其运动学数据,还可以计算出作用在自主游动的鱼体上的流体合力和流体合力矩,进而分析鱼体的力能学特征。本文运用此方法研究了斑马鱼的两种典型C型起动,对比分析了它们的运动学及力能学特征。结果表明,在相仿的C型弯曲变形下,逃逸型C型起动与非逃逸型C型起动相比,前者推力较大,导致其在前进方向上的质心速率较大;前者侧向力较大,导致其转弯半径较小;前者转矩较大,但因在起动中后期的S型摆动产生了反向转矩,最终导致转动角度小于后者。通过对两种典型C型起动的实验研究发现,斑马鱼会因不同的运动需求而表现出不同的机动性能。     

智能机器鱼游动机理与一种设计理念

通过分析自然界鱼类游动特点和有趣的规律等,提出一种智能机器鱼设计思想.以超磁致伸缩智能材料为例,研究和讨论了无线控制仿生鱼游动机理和方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,以及外部磁场模拟鱼神经,从而建立了该问题的一种力学控制模型和系统.通过研究外磁场频率与机器鱼尾摆动产生驱动力的关系,发现存在最佳的外磁场频率.这样利用调整外磁场频率,实现控制鱼尾摆动,即机器鱼最好的游动状态.同时分析鱼尾形状,材料参数,流场和外环境因素等对机器鱼游动的影响.研究结果和方法为机器鱼的设计和控制提供了依据和的设计理念.     

鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究

鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动,在受力动态平衡下以很高的速度向前游动,其性能远超传统的人造水下航行器,因此,探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义.在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上,实现了波动鱼体自主游动的数值模拟,以NACA0012翼型为典型鱼体外形,对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟.由已获得的栓结模型下推力标度律的启发,分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究.结果表明在雷诺数从500到50 000的范围内,压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律,由此可根据数值结果给出定量的预测公式,进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律,获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法.此外,探讨了雷诺数为500和50 000工况,不同摆尾幅度和频率组合下,鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响,并分析了不同鱼体外形对效能比的影响,发现雷诺数越高,获得最优效能比的鱼体越细长.     

自由度对鱼类自主游动数值模拟结果的影响

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了仿生鱼在不同自由度个数情况下的游动,对比分析了自由度个数对仿生鱼受力、能耗、推进效率以及尾涡结构的影响。研究结果表明,推进效率随着自由度个数的增加而略有降低;当仿生鱼在自主游动过程中没有侧向运动速度时,侧向受力幅值会大幅度提高。另外,当采用"六自由度模型"进行模拟时,仿生鱼很难沿直线运动,从而导致定量分析的困难。     

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。     

仿蝌蚪游动的数值研究

通过求解三维粘性非定常不可压缩流体Navier-Stokes方程组，数值模拟了仿蝌蚪游动时的水动力学特性和流场特征，分析了蝌蚪摆动频率和雷诺数等运动参数和流场条件对蝌蚪游动的影响．此外，探讨了蝌蚪特有的钝体头部以及摆动方式的影响．结果表明，蝌蚪游动时不同的受力状态对应于不同的尾涡结构特征．蝌蚪特殊的运动方式与其特殊的体态特征是相匹配的．     

串列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法,数值模拟了两条串列仿生鱼在相同摆频条件下的自主游动,并通过引入节能效率的概念分析了串列游动中的节能效果。通过与相同参数下单条仿生鱼自主游动的比较,发现串列仿生鱼的自主游动速度要大于单条鱼的速度。下游鱼的阻力会增加,但功耗会减少,表明下游鱼从上游鱼的尾涡中吸收了能量,达到了节能的效果。当水平间距较小时,下游鱼会对上游鱼产生一定的反推作用,从而使其阻力减小。结果还表明,高推进效率并不意味着高节能效率,从整体平均节能效果来看,反相位游动时节能效果比同相位时显著,平均节能效率达到22.4%。     

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。     

Simulation of self‐propelled anguilliform swimming by local domain‐free discretization method

The local domain‐free discretization method is extended in this work to simulate fluid–structure interaction problems, the class of which is exemplified by the self‐propelled anguilliform swimming of deforming bodies in a fluid medium. Given the deformation of the fish body in its own reference frame, the translational and rotational motions of the body governed by Newton's Law are solved together with the surrounding flow field governed by Navier–Stokes equations. When the body is deforming and moving, no mesh regeneration is required in the computation. The loose coupling strategy is employed to simulate the fluid–structure interaction involved in the self‐propelled swimming. The local domain‐free discretization method and an efficient algorithm for classifying the Eulerian mesh points are described in brief. To validate the fluid–structure interaction solver, we simulate the ‘lock‐in’ phenomena associated with the vortex‐induced vibrations of an elastically mounted cylinder. Finally, we demonstrate applications of the method to two‐dimensional and three‐dimensional anguilliform‐swimming fish. The kinematics and dynamics associated with the center of mass are shown and the rotational movement is also presented via the angular position of the body axis. The wake structure is visualized in terms of vorticity contours. All the obtained numerical results show good agreement with available data in the literature. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FISH MUSCLE IN VIVO DURING STEADY SWIMMING

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.     

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     

A fluid–structure interaction solver for the study on a passively deformed fish fin with non-uniformly distributed stiffness

Research on fish locomotion has made extensive progress towards a better understanding of how fish control their flexible body and fin for propulsion and maneuvering. Although the biologically flexible fish fins are believed to be one of the most important features to achieve optimal swimming performance, due to the limitations of the existing numerical modeling tool, studies on a deformable fin with a non-uniformly distributed stiffness are rare. In this work, we present a fully coupled fluid–structure interaction solver which can cope with the dynamic interplay between flexible aquatic animal and the ambient medium. In this tool, the fluid is resolved by solving Navier–Stokes equations based on the finite volume method with a multi-block grid system. The solid dynamics is solved by a nonlinear finite element method. A sophisticated improved IQN-ILS coupling algorithm is employed to stabilize solution and accelerate convergence. To demonstrate the capability of the developed Fluid–Structure-Interaction solver, we investigated the effect of five different stiffness distributions on the propulsive performance of a caudal peduncle-fin model. It is shown that with a non-uniformly distributed stiffness along the surface of the caudal fin, we are able to replicate similar real fish fin deformation. Consistent with the experimental observations, our numerical results also indicate that the fin with a cupping stiffness profile generates the largest thrust and efficiency whereas a heterocercal flexible fin yields the least propulsion performance but has the best maneuverability.     

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

A minimal model of self propelled locomotion

Fish locomotion is a complicated problem in the context of fluid–structure interaction and it is still not understood what is linked to biology and what is linked to mechanics. Measurements performed on natural fish and artificial systems reveal that swimming at high Reynolds number is found in a narrow range of Strouhal numbers - a dimensionless combination of the swimming velocity, tail beat amplitude and frequency. With a minimal model of aquatic locomotion, we investigate how this number depends on the numerous parameters at play. We show a strong correlation with the drag coefficient, while the effect of the other parameters can be neglected at the first-order approximation.     

Simulation of forced deformable bodies interacting with two-dimensional incompressible flows: Application to fish-like swimming

We present an efficient algorithm for simulation of deformable bodies interacting with two-dimensional incompressible fluid flows. The temporal and spatial discretizations of the Navier–Stokes equations in vorticity stream-function formulation are based on classical fourth-order Runge–Kutta scheme and compact finite differences, respectively. Using a uniform Cartesian grid we benefit from the advantage of a new fourth-order direct solver for the Poisson equation to ensure the incompressibility constraint down to machine zero over an optimal grid. For introducing a deformable body in fluid flow, the volume penalization method is used. A Lagrangian structured grid with prescribed motion covers the deformable body which is interacting with the surrounding fluid due to the hydrodynamic forces and the torque calculated on the Eulerian reference grid. An efficient law for controlling the curvature of an anguilliform fish, swimming toward a prescribed goal, is proposed which is based on the geometrically exact theory of nonlinear beams and quaternions. Validation of the developed method shows the efficiency and expected accuracy of the algorithm for fish-like swimming and also for a variety of fluid/solid interaction problems.     

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。