基于IPMC胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法

本发明专利属于水下仿生机器人领域，具体涉及一种基于ipmc胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法。

背景技术：

1、大规模的海洋资源探索和开发，使得仿生机器鱼成为研究热点,传统水下航行器采用螺旋桨推进，有笨重、环境适应性差、噪声大等缺点，而软体仿生机器鱼小型轻巧，结构柔软度高等特点，特别是以离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer metalliccomposites，简称ipmc)驱动的软体机器人，驱动电压小，易于操作、灵活、不会发出噪音，可以承受大变形，在海军防务、水下勘测、生活娱乐等领域有潜在的应用前景，因此可以利用ipmc作为驱动器驱动尾鳍和胸鳍产生柔性运动，更贴合鱼类的运动，目前软体机器鱼还存在驱动力不足，机动性薄弱，运动控制不精确等问题，因此有必要结合鱼类的推进方式，利用cfd技术进行水动力学研究，提高机器鱼的综合性能；

2、机器鱼大部分采用刚性胸尾鳍推进，柔性胸尾鳍推进研究较少，柔性胸尾鳍推进的机器鱼很少做水动力分析，重叠网格具有简化复杂的几何网格划分，容易实现动网格的优点，采用重叠网格技术模拟柔性胸尾鳍推进研究较少。

技术实现思路

1、本发明的目的：针对以上问题，提出一种基于ipmc胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法，为了更逼真地模拟鱼类的游动，本发明的机器鱼仿鲹科鱼类，采用柔性胸尾鳍驱动，即由ipmc驱动的一对柔性胸鳍和ipmc驱动的柔性尾鳍驱动，利用重叠网格技术和非定常navier-stokes方程求解器，数值模拟了仿生机器鱼的推进运动，分析了柔性胸尾鳍推进的水动力性能，具体步骤为：

2、(1)定义鲹科鱼类鱼体的轮廓尺寸，并根据鲹科鱼类叉形尾鳍设计ipmc尾鳍，根据鲹科鱼类胸鳍的弧线形结构设计ipmc胸鳍；

3、(2)采用bcf鱼类波动运动模型，对ipmc胸尾鳍进行运动学分析，通过水下实验提取ipmc胸尾鳍相关运动参数，建立胸尾鳍摆动方程；根据莱特希尔细长体理论，将鱼体简化成细长体，对在水中的机器鱼进行受力分析，建立整鱼动力学方程，由于很难求得动力学方程的解析解，故需通过数值仿真方法对柔性机器鱼直游模式下的水动力性能进行流体力学仿真分析；

4、(3)在fluent软件进行计算域和边界条件设置，计算域分为两个域：一个为一个是整体流体域，另一个是鱼体游动域，总体计算域设置为17l×4.8l×4.8l，其中鱼头距离出口边界为5l，距离入口边界约12l(l为鱼体总长125mm),入口为速度边界条件，命名为inlet，出口为压强边界条件，命名为outlet，重叠网格交界面命名为overset，鱼为fish；

5、(4)划分网格和求解设置，网格由两套网格组成，一套为流体域的背景网格，另一套为鱼体游动域的组件网格，这两套网格在空间区域上重叠但独立存在,相互重叠的部分构成了重叠网格，使用fluent用户自定义函数(user-defined function,udf)功能来定义尾鳍和胸鳍的运动，动网格udf应用宏define_grid_motion来更新尾鳍和胸鳍网格上每个节点随时间变化的位置，动网格更新方法采用扩散光顺法和局部重构法对网格质量进行控制，湍流模型选择sst k-w二阶方程模型。压力速度耦合使用耦合算法，时间步长设置为0.005s，周期t＝20s，计算时间为60s，残差收敛条件设置为0.0001；

6、(5)对仿真结果进行整理分析：仿生机器鱼的水动力参数、压力。

技术特征：

1.一种基于ipmc胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于ipmc胸尾鳍驱动的柔性机器鱼，其特征在于，鲹科鱼类鱼体的轮廓尺寸方程：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，ipmc尾鳍摆动方程：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用fluent用户自定义函数(user-defined function,udf)功能来定义尾鳍和胸鳍的运动，动网格udf应用宏define_grid_motion来更新尾鳍和胸鳍网格上每个节点随时间变化的位置,根据更新后的网格数据，计算流体控制方程，得到流场变量、阻力fx、侧向力fy、力矩mz，流场变量即压力场p。

5.根据权利要求1，其特征在于，为了研究作用在鱼体上的力和力矩，分别定义了量纲为一的阻力系数、侧向力系数、力矩系数：

技术总结
本发明专利属于水下仿生机器人领域，具体涉及一种基于IPMC胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法。本文设计了一种由柔性胸尾鳍驱动的机器鱼，柔性胸尾鳍采用IPMC(Ionic Polymer Metallic Composites，简称IPMC)材料驱动。基于重叠网格技术，对柔性机器鱼直游状态下的水动力性能进行数值计算，分析了驱动频率为0.05Hz的柔性尾鳍，与驱动频率为0.05Hz的柔性胸鳍共同驱动下仿生机器鱼的水动力参数、压力。这项研究为进一步探讨IPMC胸尾鳍驱动的柔性机器鱼的水动力仿真方法提供参考。

技术研发人员：吴金贤,陈坤,张天,付勇
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4