李 健，王榮臻，吳 季，高 飛，王振龍

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040；2.北京軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，北京 100042；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

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形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿生雙尾鰭推進(jìn)器的仿真和實(shí)驗(yàn)研究

李 健1，王榮臻2，吳 季1，高 飛3，王振龍3

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040；2.北京軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，北京 100042；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

單尾鰭推進(jìn)的仿生魚會產(chǎn)生周期性的、較大幅度的側(cè)向力，使得魚體產(chǎn)生橫向振蕩和偏擺，不利于游動的穩(wěn)定性。為了消除側(cè)向力的影響，提出一種雙尾鰭擺動推進(jìn)的策略，通過雙尾鰭的對稱擺動來抵消擺動時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力。研制了形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿生雙尾鰭推進(jìn)器，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)的方法對雙尾鰭的推進(jìn)性能進(jìn)行分析。

形狀記憶合金絲；仿生雙尾鰭推進(jìn)器；仿真；實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

魚類是最常見的海洋生物，其中依靠尾鰭推進(jìn)模式的魚類又占了大多數(shù)，其優(yōu)勢體現(xiàn)在游動的快速性和高效性，目前，國內(nèi)外研制的仿生機(jī)器魚大多模擬這種類型的推進(jìn)模式。然而當(dāng)前的仿生機(jī)器魚大多采用電機(jī)作為驅(qū)動元件，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、動作呈現(xiàn)剛性、有噪音等缺點(diǎn)[1-2]。

基于上述問題，多種智能材料驅(qū)動的仿生機(jī)器魚開始被研制出來，提供了一種全新的驅(qū)動方式[3-4]，也為設(shè)計(jì)新型仿生機(jī)器魚提供了途徑。目前，被用于仿生機(jī)器魚的智能材料主要有形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)[5]、離子交換聚合金屬材料(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC)[6-7]、壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramics, PZT)[8]和超磁致伸縮薄膜(Giant Magnetostrietive thin film，GMF)[9]等。其中，PZT需要驅(qū)動電壓高，變形量較小，GMF的控制信號和能源供應(yīng)均離不開磁場，限制了兩種智能材料的工作范圍。而IPMC雖然具有驅(qū)動電壓低、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，然而由于其驅(qū)動力較小，導(dǎo)致IMPC驅(qū)動的機(jī)器魚的游動速度均較低。SMA則具備輸出力大和功重比高的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能與魚類肌肉纖維的性能最為接近，相比較而言，更適合應(yīng)用于仿生機(jī)器魚的驅(qū)動設(shè)計(jì)。

魚類主要通過尾鰭實(shí)現(xiàn)水中的自由游動,當(dāng)前所研制的仿生魚大都采用單尾鰭的推進(jìn)模式，存在著機(jī)器魚的搖艏問題，即在游動中會產(chǎn)生側(cè)向力而產(chǎn)生頭部左右偏擺的現(xiàn)象。針對這個(gè)問題，國內(nèi)外研究工作者提出了雙尾鰭的推進(jìn)模式，并取得了諸多研究成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的金通[10-11]等人采用雙尾鰭推進(jìn)方式研制出組合仿生UUV模型(如圖1(a)所示)，有效抑制了常規(guī)尾鰭推進(jìn)所帶來的本體晃動問題，改進(jìn)了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進(jìn)速度。通過對柔性雙尾鰭模型進(jìn)行測量與分析，表明柔性尾鰭推進(jìn)時(shí)小擺幅擺動運(yùn)動效率要高于大擺幅運(yùn)動，雙尾鰭推進(jìn)方式在小擺幅模式下無論在推進(jìn)力還是在效率方面都要優(yōu)于單尾鰭。江蘇大學(xué)的謝歐[12]等人提出了一種新型仿生水下推進(jìn)器(如圖1(b)所示)，該推進(jìn)器采用多關(guān)節(jié)雙尾鰭協(xié)同驅(qū)動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)巡游、加速、轉(zhuǎn)彎和制動等動作。哈爾濱工程大學(xué)的于凱[13]等人設(shè)計(jì)出雙尾鰭仿魚推進(jìn)器，并制作了仿生雙尾推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺，通過在水池中進(jìn)行了雙尾推進(jìn)試驗(yàn)研究及采用計(jì)算流體力學(xué)軟件的仿真研究，表明仿生雙尾推進(jìn)器在低頻擺動時(shí)其相互干擾是有利于推進(jìn)的(如圖1(c)所示)。

(a) (b) (c)

圖1 雙尾鰭推進(jìn)研究

綜合前人所做的雙尾鰭推進(jìn)的研究工作，可見其尾鰭結(jié)構(gòu)仍然呈現(xiàn)出較強(qiáng)的剛性擺動，與實(shí)際魚尾的柔性彎曲動作還存在較大的差別。因此本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合課題組所做研究工作[14]，提出了一種基于形狀記憶合金絲的仿生雙尾鰭推進(jìn)器，結(jié)構(gòu)簡單，能最大程度地模擬魚尾的柔性彎曲動作。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)和仿真兩種研究方法出發(fā)，驗(yàn)證了所做雙尾鰭推進(jìn)器的性能。

1 尾鰭推進(jìn)器設(shè)計(jì)

魚鰭是魚類游動的主要功能部件，而柔性彎曲是其主要動作特征，如圖2所示。魚類尾鰭在擺動過程中能實(shí)現(xiàn)大幅度的變形，能展現(xiàn)出高度的柔性，這主要得益于其自身的精妙結(jié)構(gòu)。魚類尾鰭的結(jié)構(gòu)較為簡單，也易于模仿，由圖2可知，魚類尾鰭沿尾鰭根部到端部擁有一系列并行排列的鰭條，鰭條之間通過較為柔軟的膠原鰭膜進(jìn)行連接，整個(gè)尾鰭鰭面便由鰭條和膠原鰭膜構(gòu)成，在鰭條的帶動下尾鰭進(jìn)行動作。而每個(gè)鰭條的結(jié)構(gòu)也如圖所示，是一端連接，另一端分叉的結(jié)構(gòu)形式，分叉部分與尾柄部分的肌肉相連。當(dāng)一側(cè)尾柄肌肉收縮時(shí)，會帶動鰭條向該方向彎曲。通過尾柄兩側(cè)肌肉的交替收縮實(shí)現(xiàn)往復(fù)彎曲擺動。

(a)(b)(c)

圖2 魚類尾鰭的柔性彎曲及鰭條結(jié)構(gòu)

基于尾鰭和鰭條的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了形狀記憶合金絲驅(qū)動的尾鰭推進(jìn)器，圖3所示是一種內(nèi)嵌式SMA絲的結(jié)構(gòu)。仿生尾鰭推進(jìn)器還包括了被動尾鰭、彈性體、蒙皮、支撐體和導(dǎo)線。SMA絲折成"U"字狀，緊緊貼附在彈性體的兩側(cè)，底端固定于彈性體的一端，開口端固定于支撐體上，并連有兩根導(dǎo)線，以便給SMA絲供電。在仿生尾鰭推進(jìn)器的最外側(cè)覆上一層蒙皮，以便給SMA絲絕緣。

圖3 形狀記憶合金絲驅(qū)動的尾鰭推進(jìn)器

仿生尾鰭推進(jìn)器的的動作原理類似于鰭條的動作：SMA絲在嵌入到推進(jìn)器時(shí)處于預(yù)拉伸狀態(tài)，給一側(cè)的SMA絲通電加熱使之發(fā)生馬氏體逆相變，SMA絲開始收縮，由于SMA絲在仿生尾鰭推進(jìn)器中是偏心布置的，便會帶動整個(gè)仿生尾鰭推進(jìn)器就會產(chǎn)生彎曲動作，彎曲幅度很大。在彎曲動作的過程中，會有一些回復(fù)能存儲于彈性體和蒙皮中。這些回復(fù)能使得SMA絲斷電發(fā)生馬氏體相變之后，SMA絲能夠再次被拉長，仿生尾鰭推進(jìn)器也能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。給兩側(cè)的SMA絲交替供電，則仿生尾鰭推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)來回?cái)[動。

2 仿生雙尾鰭推進(jìn)器的仿真研究

為研究雙尾鰭擺動的推進(jìn)性能，利用流體動力學(xué)仿真的手段對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。仿真結(jié)果首先得到了雙尾鰭和單尾鰭動作過程中推進(jìn)力和側(cè)向力的變化過程，分別如圖4和圖5所示?？梢?，無論雙尾鰭推進(jìn)還是單尾鰭推進(jìn)，其推進(jìn)力均成周期性波動，且波動頻率相同。雙尾鰭推進(jìn)力的幅值明顯更大，且大于單尾鰭推進(jìn)力幅值的2倍。表明雙尾鰭擺動時(shí)流場之間存在一定的耦合作用，增強(qiáng)了推進(jìn)效果。而從圖5所示的側(cè)向力變化曲線看，雙尾鰭推進(jìn)明顯將側(cè)向力進(jìn)行了抵消，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

圖4 雙尾鰭、單尾鰭推進(jìn)力時(shí)變曲線圖5 雙尾鰭、單尾鰭側(cè)向力時(shí)變曲線

仿真中還研究了雙尾間距對推進(jìn)性能的影響，圖6所示為雙尾鰭擺動在三種不同間距條件下的推進(jìn)力時(shí)變曲線，由圖可知，隨著間距的增大，雙尾鰭合攏擺動時(shí)的推進(jìn)力峰值逐漸降低，表明流場之間的這種耦合作用隨雙尾間距的增大而逐漸衰弱。然而為確保雙尾鰭在擺動時(shí)不產(chǎn)生相互碰撞，其最小間距應(yīng)為尾鰭單側(cè)擺幅的兩倍。

圖6 不同間距條件下的推進(jìn)力時(shí)變曲線

仿真中還得到了雙尾鰭處于動作帶動極限位置時(shí)的流場壓力分布圖(如圖7所示)?？梢钥闯?，雙尾鰭之間區(qū)域的壓力分布則發(fā)生了干涉現(xiàn)象，即存在一定的耦合作用。該耦合作用會使高壓區(qū)域的壓強(qiáng)進(jìn)一步提高，而低壓區(qū)域的壓強(qiáng)則進(jìn)一步降低。這種耦合作用使得雙尾鰭在推進(jìn)力上能夠出現(xiàn)大于單個(gè)推進(jìn)器2倍的效果。此外，雙尾鰭XY平面的流場的壓力分布始終關(guān)于雙尾鰭的中軸線呈對稱分布，因而雙尾鰭產(chǎn)生的側(cè)向力能夠得以抵消。

圖7 雙尾鰭XY平面的流場壓力分布圖

為了進(jìn)一步說明雙尾鰭擺動時(shí)流場中存在耦合作用，圖8給出了同時(shí)刻雙尾鰭在兩種間距條件下XY平面的流場速度矢量圖。明顯地，小間距的雙尾鰭動作后泄出的流場會相互間行成耦合作用，增強(qiáng)了流場強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了推進(jìn)效果。雙尾間距越小，這種耦合作用越強(qiáng)。仿真中得到的三維渦量圖(如圖9所示)則更直觀地印證了這一結(jié)論。

圖8 雙尾鰭不同間距條件下XY平面的流場速度矢量圖

(a)三維圖(b)正規(guī)圖

圖9 雙尾鰭擺動尾跡的三維渦結(jié)構(gòu)

3 雙尾鰭推進(jìn)力測試實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真得到的結(jié)果，對所研制的雙尾鰭推進(jìn)器動作中的推進(jìn)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。圖10和圖11分別為對雙尾鰭推進(jìn)力和側(cè)向力的測量裝置，兩個(gè)仿生尾鰭通過中間的支架進(jìn)行聯(lián)接，且雙尾間距可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。推進(jìn)力的測量通過力傳感器實(shí)驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)上用LabVIEW編制的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)進(jìn)行顯示和記錄。

圖10 雙尾鰭推進(jìn)力測量

圖11 雙尾鰭側(cè)向力測量

實(shí)驗(yàn)時(shí)控制通電參數(shù)，使得仿生尾鰭擺動幅度為30°、擺動頻率為1 Hz，調(diào)整雙尾鰭間距為擺動幅值的兩倍，并將其與相同條件下單尾鰭擺動所產(chǎn)生的推進(jìn)力和側(cè)向力進(jìn)行對比，結(jié)果分別如圖12和13所示。與圖4、圖5的仿真結(jié)果類似，同樣可以得到如下結(jié)論：(1) 單尾鰭和雙尾鰭推進(jìn)力都呈現(xiàn)出周期性的變化，雙尾鰭的推進(jìn)力峰值是單尾鰭推進(jìn)力峰值的2倍以上，再次驗(yàn)證了雙尾鰭的擺動存在流場耦合作用，對推進(jìn)力有增強(qiáng)作用；(2)雙尾鰭反向擺動時(shí)的側(cè)向力僅在零值附近小范圍內(nèi)波動，驗(yàn)證了雙尾鰭的反向擺動對側(cè)向力的抵消作用。

圖12 實(shí)驗(yàn)測得雙尾鰭和單尾鰭推進(jìn)力時(shí)變曲線對比

圖13 實(shí)驗(yàn)測得雙尾鰭和單尾鰭側(cè)向力時(shí)變曲線對比

4 結(jié) 語

為避免單尾鰭驅(qū)動的機(jī)器魚的橫擺現(xiàn)象，提出一種雙尾鰭反向擺動的推進(jìn)策略，并研制了形狀記憶合金絲驅(qū)動的雙尾鰭推進(jìn)器，能夠模擬魚尾的結(jié)構(gòu)及柔性動作。對雙尾鰭推進(jìn)器進(jìn)行了運(yùn)動過程中的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，雙尾鰭推進(jìn)器通過反向擺動不僅能夠有效抑制側(cè)向力的波動，而且由于流場耦合的作用使推進(jìn)力得到了增強(qiáng)。

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Simulation and Experimental Research on Bionic Double Tail Fin Actuated by SMA Wires

LIJian1,WANGRong-zhen2,WUJi1,GAOFei3,WANGZhen-long3

(1.Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2.Architecture Design Institute of Beijing Military Region, Beijing 100042, China ；3.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Bionic fish propelled by single tail fin will produce periodic and more substantial lateral force, making the fish produce lateral oscillations and yaw, is not conducive to swimming stably. In order to eliminate the effects of lateral force, a double tail fin swimming strategy was proposed. The lateral forces generated during the swing can be counteracted by swing symmetrical double tail fin. A thruster based on bionic double tail fin actuated by shape memory alloy wires was developed. The propulsion performance of the d thruster based on bionic double tail fin was analyzed by the method of simulation and experiment.

shape memory alloy (SMA) wires; bionic double tail fin propulsor； simulation； experimental research

2015-12-28

中國博士后基金項(xiàng)目資助(2015M571382)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(QC2013C058)；2015年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201510225137)

TM359.9

A

1004-7018(2016)08-0022-04

李健(1985-)，男，講師，研究方向?yàn)橹悄懿牧?、仿生水下機(jī)器人。