[發(fā)明專利]一種三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710563908.7
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107480334B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 婁保東;吳清劭
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B63H1/36
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 祁文彥

1.一種三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步，建立物理模型；所述三關(guān)節(jié)機器魚包括魚頭、魚身和魚尾，魚身包括固定部和擺動部，固定部內(nèi)安裝有用于控制機器魚運動姿態(tài)、無線充電的控制機構(gòu)，擺動部包括三個主驅(qū)動關(guān)節(jié)，分別為沿魚身體長方向依次設(shè)置的第一主驅(qū)動關(guān)節(jié)、第二主驅(qū)動關(guān)節(jié)與第三主驅(qū)動關(guān)節(jié)，固定部一端與魚頭固定連接，另一端與第一主驅(qū)動關(guān)節(jié)固定連接，第一主驅(qū)動關(guān)節(jié)、第二主驅(qū)動關(guān)節(jié)與第三主驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度比例為1:1:1.2；

第二步，根據(jù)第一步得到的物理模型，確定該模型對周圍環(huán)境的影響，確定計算區(qū)域，進行網(wǎng)格劃分；將第一步得到的物理模型放于一定流速的水槽中進行流體仿真分析，通過Fluent軟件仿真出具有周期內(nèi)一定規(guī)律循環(huán)運動的三關(guān)節(jié)機器魚在流動的水中的流場圖和壓力圖，設(shè)定計算區(qū)域為三關(guān)節(jié)機器魚大小的10倍，選用四面體網(wǎng)格；

第三步，設(shè)置邊界條件；假設(shè)三關(guān)節(jié)機器魚所處實驗環(huán)境的水流為恒定流，計算采用MRF法，把整個計算區(qū)域看成一個計算區(qū)域，計算三關(guān)節(jié)機器魚周圍的流體特性；

第四步，把劃分的網(wǎng)格圖導(dǎo)入計算流體力學(xué)分析軟件Fluent中，進行一系列的設(shè)置求解；設(shè)定初始條件：周期T＝2s，水速v＝0.5m/s，對周期內(nèi)關(guān)鍵時刻做仿真分析，選取t＝0、t＝1/8T、t＝1/4T、t＝5/8T、t＝3/4T五個時刻的壓力場圖和速度流場進行分析；

第五步，對數(shù)據(jù)進行選擇分析處理，得出數(shù)字模擬分析結(jié)果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于：第五步中繪制三關(guān)節(jié)機器魚周期內(nèi)壓力最大值變化和尾部水流最大值變化圖，得到周期內(nèi)機器魚的最大壓力點為距離魚頭嘴部前1/3處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述每個主驅(qū)動關(guān)節(jié)均包括一個舵機和驅(qū)動桿，驅(qū)動桿一端與舵機的輸出軸連接，另一端與相鄰主驅(qū)動關(guān)節(jié)的舵機固定連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于：第一主驅(qū)動關(guān)節(jié)與第二主驅(qū)動關(guān)節(jié)之間、以及第二主驅(qū)動關(guān)節(jié)與第三驅(qū)動關(guān)節(jié)之間沿魚身體長方向設(shè)置有若干個從驅(qū)動關(guān)節(jié)，每個從驅(qū)動關(guān)節(jié)包括支撐環(huán)、脊椎骨鉸鏈和脊椎骨鉸鏈連接桿，支撐環(huán)上具有用于固定脊椎骨鉸鏈的卡槽，脊椎骨鉸鏈具有第一連接部和第二連接部，第二連接部呈U型，第二連接部卡設(shè)于支撐環(huán)的卡槽中，第一連接部通過脊椎骨鉸鏈連接桿與前一個從驅(qū)動關(guān)節(jié)的第二連接部轉(zhuǎn)動連接，第二連接部通過脊椎骨鉸鏈連接桿與后一個從驅(qū)動關(guān)節(jié)的第一連接部轉(zhuǎn)動連接，多個從驅(qū)動關(guān)節(jié)的脊椎骨鉸鏈首尾相連形成機器魚的脊椎。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三關(guān)節(jié)機器魚流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于：所述三關(guān)節(jié)機器魚的魚頭嘴部內(nèi)側(cè)、位于嘴部前1/3處設(shè)置有三個直徑為4mm的受力支撐桿。