变体全柔性翼扑动推进水下航行器设计与研究

摘要

相比传统水下航行器，采用扑动推进方式的仿生水下航行器可以在不同游动状态下获得较高的游动效率和较强的机动能力，其概念一经提出即迅速成为水下航行器研究的前沿和热点课题。变体全柔性翼扑动推进水下航行器作为仿生水下航行器中效率高、机动性强、适用范围广的一种，理应受到更多学者的研究和关注，但目前国内外研究都较少。究其原因，变体全柔性翼扑动推进水下航行器复杂的流动机理和变体技术在柔性翼上研究的匮乏是制约其快速发展的最重要因素。 有鉴于此，本文的主要内容是变体全柔性翼扑动推进水下航行器的流动机理分析和试验研究，包括适用于变体全柔性翼大角度扑动的非定常流场数值计算方法、适用于全柔性翼的材料非线性和几何非线性结构动力学数值计算方法、变体全柔性翼扑动推进机理及流固耦合特性数值分析、变体全柔性翼扑动推进水下航行器试验样机加工及试验等研究内容。 提出了一种全柔性翼型变体计算模型，实现翼型全柔性变体参数化。基于二维翼型静态变体、刚性变体扑动、主动柔性变体扑动和被动柔性变体扑动四类基础变体模式，对不同变体参数和柔性状态下翼型流体动力特性进行数值模拟，对其推进特性、推进效率进行比较分析，深入研究了变体和柔性在翼型定常和非定常流场中的作用。 推导了一种基于复合材料层板理论的适合于大转动、小应变情况下的新型壳单元，解决了柔性翼生理结构及其扑动运动而存在的材料非线性和几何非线性问题。建立了一种基于协同转动方法的全柔性扑动翼非线性结构动力学分析方法，并通过静力学、动力学和模态分析算例验证其可靠性。设计全柔性翼变体结构，通过结构有限元仿真和面内拉伸、法向承载和弯矩试验探究柔性翼变体结构力学特性。 建立了一种适用于大变形柔性结构的双向流固耦合特性研究方法，提出了一种高精度耦合截面插值算法，可有效处理各种大变形和复杂外形结构的载荷和位移插值问题。建立双向流固耦合计算模型，通过AGARD445.6机翼颤振模型算例和柔性齐莫曼形微型飞行器模型算例验证本文流固耦合方法可靠性。同时，对柔性翼展向和弦向变形规律进行推导，提出了一种适合变体全柔性翼扑动推进水下航行器的柔性翼扑动规律。对主动柔性和被动柔性状态下变体全柔性翼扑动推进水下航行器力学特性进行分析，深入探究变体全柔性翼扑动推进水下航行器流动机理。 设计并制作了变体全柔性翼扑动推进水下航行器实物试验模型，对其中变体结构、驱动机构和机体结构部分进行详细设计，实现柔性翼扑动、主动变体柔性控制。搭建了一套用于变体柔性翼扑动推进流体动力性能测量的试验平台，试验研究不同运动参数（频率和迎角）和不同柔性材料状态下变体柔性翼推力动力特性试验分析，对试验结果进行统计分析，并与仿真计算结果进行对比，验证仿真计算可靠性；而后对变体全柔性翼扑动推进水下航行器上、下浮沉运动性能和不同巡航速度下临界扑动频率规律进行分析，探究扑动频率与游动速度之间的关系，为后续进行设计研究提供一定参考。

目录

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