【摘 要】
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传统的水下推进器主要以刚体推进器为主,但是这种刚体推进器依然存在着效率低、噪音大、机动性能差、隐蔽性差的缺陷,尤其是在海洋鱼类资源观察、海底军事侦察等领域,这种缺陷尤为明显,这也导致很多海洋探索研究难以科学精确的进行。水下软体推进器改善了传统水下刚性推进器的诸多不足,软体驱动器因此得到了发展,也逐渐成为水下软体推进器的关键构成与主要动力源。本课题设计了一种全新的用于水下推进器的模拟鱼尾软体驱动器的
【基金项目】
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陕西省自然科学基础研究计划（编号:2020JQ-813）
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传统的水下推进器主要以刚体推进器为主,但是这种刚体推进器依然存在着效率低、噪音大、机动性能差、隐蔽性差的缺陷,尤其是在海洋鱼类资源观察、海底军事侦察等领域,这种缺陷尤为明显,这也导致很多海洋探索研究难以科学精确的进行。水下软体推进器改善了传统水下刚性推进器的诸多不足,软体驱动器因此得到了发展,也逐渐成为水下软体推进器的关键构成与主要动力源。本课题设计了一种全新的用于水下推进器的模拟鱼尾软体驱动器的双向多腔结构,采用了基于达朗贝尔原理的动态建模的方法,分析了软体驱动器的运动特性。本文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,完成气动双向多腔软体驱动器外部和内部结构的初步设计,实现了软体驱动器的摆动运动。另外,在软体驱动器的制作方面,对其材料进行了分析与选择,在多个方案中选择Ecoflex0030硅橡胶,设计并3D打印出软体驱动器模具,完成软体驱动器的制备过程。其次,对材料力学模型进行比较,选择Ogden模型作为Ecoflex00-30硅橡胶材料的本构模型,采用相关材料属性用于仿真分析。同时,利用仿真软件Abaqus完成了腔室参数变化对软体驱动器的弯曲性能影响的研究,得到了各个参数下不同气压大小与弯曲角度之间的仿真模型以及运动状态。另外,在仿真分析中也发现了存在的末端“气球效应”等局部非线性变形情况,为数学建模中简化模型起到了关键可视化参考作用。然后,提出了一种具有创新性的双向气动软体驱动器的动态建模方法,利用达朗贝尔原理在静态模型的基础上建立了软体驱动器的初步未补偿的动态模型。因为该动态模型主要基于复杂的微分方程,所以在处理动态微分方程过程中,提出了一种基于泰勒展开式和龙格-库塔法的融合求解算法。求解得到的动态曲线并不收敛,换而言之,动态模型无法表示驱动器的动态特性,但是本章的求解结果为后一章的动态模型补偿奠定了基础。最后,针对动态平衡方程存在的缺陷,提出了一种补偿方法,对其进行了阻尼和质量补偿;同时也分析了该方程的求解过程,采用龙格库塔法快速求解该方程。计算实验表明,模型求解可控制在1 ms以内,实际控制频率可达1 k Hz,满足实时控制的要求,并且进行的双向运动实验验证了所提出的动态模型。实验结果表明动力学模型具有良好的精度,能够表示仿生鱼尾软体驱动器的运动特性。
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