[发明专利]一种三关节机器鱼流体力学数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种三关节机器鱼流体力学数值模拟方法，本发明选定计算区域为三关节仿生机器鱼的10倍，网格划分采取结构体四面体，边界条件采用多重参考模型方法，进行数字模拟仿真分析。得出周期内，压力最大集中在头部和两侧，且当t＝1/4T和t＝3/4T时，即尾部进行甩尾最大幅度时，受到的压力最大，尾部水流也最大，推进力最大；依据仿真结果数据，找到了现实头部破损原因，及破损具体位置出现在嘴部前部，大约在其前部1/3处，为增加其承受力强度，在其鱼头嘴部内侧前1/3处设计三个支撑架，以改善头部破损现象。

技术领域

本发明涉及一种仿生机器鱼技术领域，特别是一种三关节机器鱼流体力学数值模拟方法。

背景技术

计算流体力学CFD就是利用现有电子计算机对实际模型进行数值模拟，用于分析流体流动和传热等物理现象，得出计算结果，再对实际模型进行指导。CFD技术从上世纪至今已经得到了快速发展，通过可以处理庞大数据量的服务器，进行分析流体中的流动特性，CFD技术使人们在计算机上通过分析来预测现实模型中的流场运动现状，得出数据，并对数据进行处理。利用流体力学理论知识及相关CFD仿真软件Fluent进行分析，可以对机器鱼的游动研究提供更深的理论研究和更快捷的工具，能够带动机器鱼的理论研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种三关节机器鱼流体力学数值模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种三关节机器鱼流体力学数值模拟方法，包括以下步骤：

第一步，建立物理模型；所述三关节机器鱼包括鱼头、鱼身和鱼尾，鱼身包括固定部和摆动部，固定部内安装有用于控制机器鱼运动姿态、无线充电的控制机构，摆动部包括三个主驱动关节，分别为沿鱼身体长方向依次设置的第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节，固定部一端与鱼头固定连接，另一端与第一主驱动关节固定连接，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节的长度比例为1:1:1.2；

所述每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接；第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、以及第二主驱动关节与第三驱动关节之间沿鱼身体长方向设置有若干个从驱动关节，每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，脊椎骨铰链具有第一连接部和第二连接部，第二连接部呈U型，第二连接部卡设于支撑环的卡槽中，第一连接部通过脊椎骨铰链连接杆与前一个从驱动关节的第二连接部转动连接，第二连接部通过脊椎骨铰链连接杆与后一个从驱动关节的第一连接部转动连接，多个从驱动关节的脊椎骨铰链首尾相连形成机器鱼的脊椎。

第二步，根据第一步得到的物理模型，确定该模型对周围环境的影响，确定计算区域，进行网格划分；将第一步得到的物理模型放于一定流速的水槽中进行流体仿真分析，通过Fluent软件仿真出具有周期内一定规律循环运动的三关节机器鱼在流动的水中的流场图和压力图，设定计算区域为三关节机器鱼大小的10倍，选用四面体网格；

第三步，设置边界条件；假设三关节机器鱼所处实验环境的水流为恒定流，计算采用MRF法，把整个计算区域看成一个计算区域，计算三关节机器鱼周围的流体特性；

第四步，把划分的网格图导入计算流体力学分析软件Fluent中，进行一系列的设置求解；设定初始条件：周期T＝2s，水速v＝0.5m/s，对周期内关键时刻做以仿真分析，选取t＝0、t＝1/8T、t＝1/4T、t＝5/8T、t＝3/4T五个时刻的压力场图和速度流场进行分析；

第五步，对数据进行选择分析处理，得出数字模拟分析结果。

进一步地，第五步中绘制三关节机器鱼周期内压力最大值变化和尾部水流最大值变化图，得到周期内机器鱼的最大压力点为距离鱼头嘴部前1/3处，实践也证明此处容易发生破损。