一种泳动微机械的流固耦合分析与实验研究

摘要

丰富多彩的自然界为人类的仿生机械提供了良好的样本。仿生学自上世纪60年代诞生以来，人们通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构，功能，原理及控制机制，已经开发或改进了各种各样的仿生机械，仪器，建筑和工艺。近年来，随着信息、医疗、航空、航天、军事、公安等科技的迅速发展，对直线型、特别是细长型驱动装置的需求明显增加。超细直线微电机与微驱动器可以突破现有电机的应用局限，将在工业、农业、医学、军事以及航空航天事业中扮演越来越重要的角色。 本文主要借鉴了鳗鱼、水蛇、精子等细长型水生动物和微生物的运动机制，模仿它们在液体中的泳动姿态，致力于研究这种波动致动机理在超细直线微驱动器中的可行性。本论文得到国家自然科学基金项目“精子泳动机制及其在微机电系统驱动中的应用研究”(编号：50377022)的资助。本文的主要工作如下： 首先，研究了鱼类波动推进机制，在Lighthill的细长体理论基础上，推导了一般和特殊波动函数作用下的推进力和推进效率公式，并分析了各种参数对于推进力和推进效率的影响。 本文首次采用有限元的方法对细长体波动运动进行流固耦合分析，从结构和流场的交互影响中分析了体形参数和运动参数对于波动的影响，得出了与理论分析相一致的结论，分析的结果将对未来的泳动微机械装置的优化设计提供了参考。 最后，本文还设计了一种新型的可在水中自主游动的泳动微机械装置，从实验的角度对模拟的结果进行了验证。实验结果表明，改变输入电压将改变微机械的波动频率，进而改变其前进速度，结果也同时表明了流固耦合分析的准确性。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

第二章波动推进理论研究

第三章泳动微机械的流固耦合分析

第四章数值模拟结果分析与结论

第五章泳动微机械的实验研究

第六章结论与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢

附 录