基于压电纤维复合材料的柔性仿生鱼尾研究

摘要

仿生机器鱼具有良好的机动性、隐蔽性和低噪声等特点，在民用和军用的水下航行器领域具有极其广阔的应用前景。目前，国外研究人员提出并研究了多种不同结构特征的鱼尾，为其在军用或民用水下航行器中的应用奠定了基础。我国的柔性仿生鱼尾的研究工作才刚刚起步，加大柔性仿生鱼尾关键技术的研究，对发展仿生鱼技术具有重要意义。
　　区别于电磁电机驱动的多关节仿生鱼，本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite，MFC)为柔性驱动材料，以振动应用为基础，分别以摆动、扭转以及波动运动为推进模式，开展了柔性仿生鱼尾的驱动机理、性能仿真、复合材料制备和实验研究，并对摆动推进模式和扭转推进模式的仿生鱼尾进行了应用实验，成功实现了微型鱼的快速运动。
　　本文主要内容包括：
　　1.根据鱼的运动模式，对推进模式的分类进行了分析。通过对智能材料在柔性仿生机器鱼中应用现状的总结，指出了MFC适合作为柔性仿生鱼尾的驱动材料，给出了MFC诱发弹性基体应变机制，可实现鱼的多种推进模式。
　　2.提出了一种以MFC及各向异性材料为基体，以摆动模式为推进模式的仿鲮鱼尾，研究了复合材料性能对鱼尾摆动幅值的影响，发现相比于各向同性材料，基板和尾鳍为不同性能的复合材料时鱼尾摆动性能最优。制备出了符合上述材料性能要求的两种玻璃纤维增强型复合材料，成功实现了仿鲮鱼尾的推动应用，最大推力为12.5mN，最快前进速度约为40mm/s，最快后退速度约为20mm/s。
　　3.提出了一种采用扭转推进模式的变截面尾鳍柔性仿生鱼尾，利用解析与数值方法研究了尾鳍的振动特性，分析了柔性变截面尾鳍的固有频率与结构尺寸之间的关系，系统地研究了鱼尾在空气和水中的扭转特性。设计了利用MFC驱动的复合材料层合板，探讨了它的运动机理与扭转性能。通过分析鱼尾在一个运动周期内的水动力性能，探明了扭动模式鱼尾产生推力的机理。最终成功实现了扭转模式的柔性仿生鱼尾的应用，其最快游速为320mm/s。
　　4.提出了一种采用波动推进模式的仿金枪鱼尾的设计方案。以兰杰文振子的放大原理为基础设计了变截面鱼尾结构；根据波从波密媒介向波疏媒介传播无半波损失的特点，实现了由多种不同性能复合材料构成鱼尾的行波波动运动；依据阻尼吸收能量方法，探讨了材料的不同阻尼系数对鱼尾的波动运动的影响，仿真实现了基于振动原理的仿金枪鱼尾的波动运动。
　　5.针对MFC的高驱动电压与柔性仿生鱼尾低频工作的特点，提出了一款带直流偏置的低频高压驱动电源。设计了基于PSoC3的多路信号发生电路，通过推挽升压电路与四倍升压整流电路来实现1000V的高压直流，利用信号放大和功率放大实现单极性高压信号生成，通过耦合电路实现最终的带直流偏置任意波形高压信号，为利用MFC驱动的微型机器鱼的运动提供了重要试验平台支撑。

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注 释 表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 鱼类的游动推进机制

1.3 推进机理研究

1.4 仿鱼水下推进器研究进展

1.5 本文的研究意义、目标及主要内容

第二章 摆动模式柔性仿生鱼尾的运动研究

2.1 引言

2.2 压电纤维复合材料

2.3 压电纤维复合材料诱发应变的机理

2.4 摆动推进柔性仿生鱼尾的理论分析

2.5 玻璃纤维增强复合材料的研制及性能测试

2.6 摆动型柔性鱼尾的实验研究

2.7 本章小结

第三章 变截面尾鳍的扭转振动研究

3.1 引言

3.2 变截面尾鳍振动研究

3.3 变截面尾鳍的固有振动有限元分析

3.4 基于MFC驱动复合材料层合板的扭转振动研究

3.5 本章小结

第四章 扭转推进模式柔性仿生鱼尾的推进机理研究

4.1 引言

4.2 柔性仿生鱼尾的扭转运动研究

4.3 柔性仿生鱼尾的水动力性能研究

4.4 柔性仿生鱼尾的实验研究

4.5 本章小结

第五章 柔性仿生鱼尾的驱动电源研究

5.1 引言

5.2 驱动电源设计原理

5.3 PSoC3驱动信号的产生

5.4 直流电源

5.5 放大电路设计

5.6 耦合电路的设计

5.7 本章小结

第六章 波动模式仿金枪鱼尾的设计方案

6.1 引言

6.2 仿金枪鱼尾的结构设计与振动分析

6.3 仿金枪鱼尾的波动模式研究

6.4 本章小结

第七章 全文总结

7.1 本文的主要工作和创新点

7.2 进一步的研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文