[發(fā)明專利]一種三關節(jié)機器魚流體力學數(shù)值模擬方法

有效

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• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107480334B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 婁保東;吳清劭
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 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

本發(fā)明公開了一種三關節(jié)機器魚流體力學數(shù)值模擬方法，本發(fā)明選定計算區(qū)域為三關節(jié)仿生機器魚的10倍，網(wǎng)格劃分采取結(jié)構體四面體，邊界條件采用多重參考模型方法，進行數(shù)字模擬仿真分析。得出周期內(nèi)，壓力最大集中在頭部和兩側(cè)，且當t＝1/4T和t＝3/4T時，即尾部進行甩尾最大幅度時，受到的壓力最大，尾部水流也最大，推進力最大；依據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，找到了現(xiàn)實頭部破損原因，及破損具體位置出現(xiàn)在嘴部前部，大約在其前部1/3處，為增加其承受力強度，在其魚頭嘴部內(nèi)側(cè)前1/3處設計三個支撐架，以改善頭部破損現(xiàn)象。

技術領域

本發(fā)明涉及一種仿生機器魚技術領域，特別是一種三關節(jié)機器魚流體力學數(shù)值模擬方法。

背景技術

計算流體力學CFD就是利用現(xiàn)有電子計算機對實際模型進行數(shù)值模擬，用于分析流體流動和傳熱等物理現(xiàn)象，得出計算結(jié)果，再對實際模型進行指導。CFD技術從上世紀至今已經(jīng)得到了快速發(fā)展，通過可以處理龐大數(shù)據(jù)量的服務器，進行分析流體中的流動特性，CFD技術使人們在計算機上通過分析來預測現(xiàn)實模型中的流場運動現(xiàn)狀，得出數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。利用流體力學理論知識及相關CFD仿真軟件Fluent進行分析，可以對機器魚的游動研究提供更深的理論研究和更快捷的工具，能夠帶動機器魚的理論研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種三關節(jié)機器魚流體力學數(shù)值模擬方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種三關節(jié)機器魚流體力學數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

第一步，建立物理模型；所述三關節(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，擺動部包括三個主驅(qū)動關節(jié)，分別為沿魚身體長方向依次設置的第一主驅(qū)動關節(jié)、第二主驅(qū)動關節(jié)與第三主驅(qū)動關節(jié)，固定部一端與魚頭固定連接，另一端與第一主驅(qū)動關節(jié)固定連接，第一主驅(qū)動關節(jié)、第二主驅(qū)動關節(jié)與第三主驅(qū)動關節(jié)的長度比例為1:1:1.2；

所述每個主驅(qū)動關節(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)動關節(jié)的舵機固定連接；第一主驅(qū)動關節(jié)與第二主驅(qū)動關節(jié)之間、以及第二主驅(qū)動關節(jié)與第三驅(qū)動關節(jié)之間沿魚身體長方向設置有若干個從驅(qū)動關節(jié)，每個從驅(qū)動關節(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)動關節(jié)的第一連接部轉(zhuǎn)動連接，多個從驅(qū)動關節(jié)的脊椎骨鉸鏈首尾相連形成機器魚的脊椎。

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)運動的三關節(jié)機器魚在流動的水中的流場圖和壓力圖，設定計算區(qū)域為三關節(jié)機器魚大小的10倍，選用四面體網(wǎng)格；

第三步，設置邊界條件；假設三關節(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，計算三關節(jié)機器魚周圍的流體特性；

第四步，把劃分的網(wǎng)格圖導入計算流體力學分析軟件Fluent中，進行一系列的設置求解；設定初始條件：周期T＝2s，水速v＝0.5m/s，對周期內(nèi)關鍵時刻做以仿真分析，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。

進一步地，第五步中繪制三關節(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，實踐也證明此處容易發(fā)生破損。