压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理丨JME文章推荐
海洋是地球上最广阔的水体，其总面积约占地球表面积的71%。由于海洋中蕴藏着丰富的生物矿产资源，海洋资源开发研究已被列入国家长期规划。作为海洋中最早的脊椎动物，鱼类生物经过亿万年进化拥有非凡的游行能力，既可以保持长距离的高效率游动，还具有较好的机动性能。因此，模仿鱼类外形和游动模式的水下仿生推进器已成为人类开发勘测海洋资源的有力工具，为探索复杂海洋环境提供了充足的技术保障。
身体/尾鳍(Body or caudal fin, BCF)推进模式是目前鱼类进化出的效率最高、速度最快的推进模式。模仿BCF推进模式的水下推进器是目前水下推进器领域的研究热点。传统的BCF模式仿生推进器多采用电机、液压及活塞装置结合一系列的滑轮、齿轮及连杆机构作为驱动传动装置。北京航空航天大学梁健宏等研制了SPC系列机器鱼，通过两个伺服电机控制尾部运动。虽然游动速度快，但同时也不可避免的存在着结构庞大复杂、噪声大且隐蔽性差的缺点。以压电材料、形状记忆合金、离子聚合物及介电高弹聚合物等为代表的智能材料的发展为仿生推进器的驱动设计提供了新思路。西班牙马德里理工大学的Rossi等研制了由形状记忆合金驱动的仿生机器鱼。北京航空航天大学的沈奇等研制了由离子聚合物驱动的仿海豚机器人。瑞士联邦材料试验研究试验室的Jordi等研制了由介电高弹聚合物驱动的仿鱼飞艇。近年来，美国宇航局发明的MFC以柔性好、变形大且驱动能力强的优点在主动变形控制及水下驱动领域展示出了巨大的潜在优势。Erturk等在MFC的水下致动领域做了一系列工作，建立了MFC致动的悬臂梁结构的电-流体-弹性耦合驱动模型。官源林等提出了一种MFC驱动的简化鱼尾模型，研究了不同基体弹性模量对鱼尾振动特性的影响。显然，MFC等新型智能材料在水下仿生推进系统中具有巨大的应用价值，但是目前此领域相关研究尚未深入展开，大多研究止于可行性验证阶段。前期的研究多集中在智能材料致动的水下推进器设计、实现及小型化阶段；对于推进器推进过程中产生的推进力变化、流场特性及流固耦合机理，尤其是对智能材料致动的推进器摆动特性及其周围的动态流场特性缺乏深入研究。
科研人员任枭荣、娄军强和贾振等在《机械工程学报》2019年20期发表了《压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理》一文，他们从自然界锦鲤鱼类的形态学特征和游动推进模式得到启示，结合MFC能模拟鱼类肌肉柔性动作的综合性能，提出一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器模型。利用搭建的试验平台测试了不同驱动条件下推进器的水下摆动性能。然后采用CFD方法对推进器周围的流场结构进行分析，得到了推进器不同相位时刻的流场速度矢量特征和推进力大小，揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的推进机理。
为了测试仿鲤鱼尾鳍式推进器的水下摆动性能，搭建了如图所示的测试平台。实验中将推进器置于水箱中，并利用夹持装置将其固定。实验测试过程具体如下：计算机控制系统利用嵌入在紧凑型多槽USB数据采集机箱(NI cDAQ-9178)上的D/A模块(NI-AO9263)发出驱动电压信号，该信号经压电功率放大器（Trek Model PZD700A，放大增益200）放大后施加到MFC致动器上，压电纤维致动器由于自身的逆压电效应产生伸缩变形，从而带动整个推进器结构产生摆动。推进器的水下摆动位移由水平安装在推进器末端的激光位移传感器(米铱 ILD 1402-50，分辨率：5 μm)实时测量，传感器输出的位移信号经内部调理电路转换为1~5 V的电压信号，然后传送到A/D模块(NI-AI9205)，最后通过数据采集机箱的USB口传输到计算机控制系统。整个测试过程基于LABVIEW软件平台完成。
推进器测试系统试验装置图
(1) 模仿锦鲤鱼类的BCF游动推进模式和形态特征，提出了一种纤维基压电复合材料(MFC)致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。搭建实验平台测试了不同驱动电压和频率下推进器的摆动特性。实验表明：在谐振频率8Hz、驱动电压峰峰值1000V激励下，推进器末端最大摆速为154.5mm/s。
(2) 采用CFD数值计算提取了推进器鱼尾中轴线所在平面的流场结构特征，分析了推进器不同相位时刻涡流速度变化情况。结果表明：在推进器尾鳍展长中部位置点附近形成了一对旋向相反的涡环结构，且在推进器摆动过程中始终存在。在峰峰值1000V、频率7.5Hz的激励电压下，CFD仿真得到推进器稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力的大小分别为9.8mN和4.22mN，与Lighthill细长体理论基本一致。
(3) 从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一对对称分布、旋向相反的涡环结构顺流而下。且在涡环结构中间存在着一片高速流场区域，其最高流速可达0.3m/s，是推进器结构最大摆速(0.15 m/s)的2倍。涡环结构和高速流场作用产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出，并后传播。而仿鲤鱼尾鳍式推进器在高速射流的反作用力下向前推进。本文的研究结果对智能材料驱动的仿鱼形水下推进器的设计和分析具有一定的参考价值和借鉴意义。
海洋是地球上最广阔的水体，其总面积约占地球表面积的71%。由于海洋中蕴藏着丰富的生物矿产资源，海洋资源开发研究已被列入国家长期规划。作为海洋中最早的脊椎动物，鱼类生物经过亿万年进化拥有非凡的游行能力，既可以保持长距离的高效率游动，还具有较好的机动性能。因此，模仿鱼类外形和游动模式的水下仿生推进器已成为人类开发勘测海洋资源的有力工具，为探索复杂海洋环境提供了充足的技术保障。
本文从自然界锦鲤鱼类的形态学特征和游动推进模式得到启示，结合MFC能模拟鱼类肌肉柔性动作的综合性能，提出一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器模型。利用搭建的实验平台测试了不同驱动条件下推进器的水下摆动性能。然后采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法对推进器周围的流场结构进行分析，得到了推进器不同相位时刻的流场速度矢量特征和推进力大小，揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的推进机理。
MFC结构示意图
(a)MFC结构爆炸图
(b)MFC实物图
(c)MFC表面数字图像
锦鲤活体实物图
推进器结构设计及制作过程示意图
推进器测试系统试验装置图
计算域网格划分结果
娄军强，博士，宁波大学机械工程系副教授/博士生导师。2013年浙江大学获得博士学位，2016年5月至2017年5月美国休斯顿大学智能材料与结构实验室访问学者。主要研究方向为柔性结构的振动主动控制及水下智能仿生机器人技术。已发表学术论文30余篇，均被SCI/EI收录。授权国家发明专利8项。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金及多项科研项目。
任枭荣，男，1994年出生，硕士研究生。主要研究方向为流固耦合分析。
基于仿生学原理，采用新型的柔/软智能材料，开展结构设计、驱动控制一体化的高性能仿生机器人研究。研究仿生机器人的动力学建模技术，探究其运动机理和推进行为，实现仿生机器人位姿的精确控制。为其在生物观察、海洋开发及环境探测等领域的应用提供技术。
任枭荣, 娄军强, 贾振, 杨依领, 陈特欢, 孟浩锋. 压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理[J]. 机械工程学报, 2019, 55(20):214-221,230.
REN Xiaorong, LOU Junqiang, JIA Zhen, YANG Yiling, CHEN Tehuan, MENGHaofeng. Oscillating Performance and Fluid-structure Interaction Mechanism of aSmall Koi's Caudal Fin-like Underwater Propulsion Actuated by MFC[J]. Journalof Mechanical Engineering, 2019, 55(20): 214-221,230.
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