張紀(jì)華，劉樂(lè)華，楊曉光，馬雪泉

（1.北京機(jī)電工程研究所，北京100074；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海200135）

0 引 言

水下仿生潛航器具有高效推進(jìn)、高機(jī)動(dòng)等良好性能，仿生胸鰭推進(jìn)是模仿魚(yú)類左右對(duì)稱的柔性胸鰭運(yùn)動(dòng)而興起的一種仿生推進(jìn)模式，典型的海洋生物是俗稱“魔鬼魚(yú)”的蝠鲼。針對(duì)水下仿生胸鰭推進(jìn)集成，日本科研工作者Imae采用柔性乙烯樹(shù)脂薄膜和淬火鋼帶，以剛性雙四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)胸鰭前緣帶動(dòng)胸鰭鰭面實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)[1]；德國(guó)Festo 公司研制了胸鰭擺動(dòng)的仿生魚(yú)Aqua_ray[2]；新加坡國(guó)立大學(xué)選用PVC 片材料作為胸鰭研制了MantaDroid 仿蝠鲼機(jī)器魚(yú)[3]，并完成了長(zhǎng)航時(shí)的續(xù)航試驗(yàn)；新加坡南洋理工大學(xué)與中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了仿蝠鲼機(jī)器魚(yú)，樣機(jī)兩側(cè)胸鰭分別由三組獨(dú)立控制的具有一定柔性的鰭條驅(qū)動(dòng)，并采用類魚(yú)漂的機(jī)構(gòu)進(jìn)行深度控制[4]；國(guó)防科技大學(xué)采用多鰭條驅(qū)動(dòng)方式研制了仿胸鰭樣機(jī)[5]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了SMA 驅(qū)動(dòng)的仿蝠鲼機(jī)器魚(yú)[6-7]，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性和無(wú)噪聲推進(jìn)；北京航空航天大學(xué)研制了多型仿牛鼻鲼Robo_Ray樣機(jī)[8]，并自行搭建了小型測(cè)力實(shí)驗(yàn)水槽[9]，完成了樣機(jī)水池游動(dòng)試驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)力試驗(yàn)?，F(xiàn)有的研究成果中，仿生胸鰭推進(jìn)樣機(jī)側(cè)重于仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、無(wú)模型的仿生胸鰭推進(jìn)游動(dòng)控制及系統(tǒng)集成[10]等，從研制流程上基本忽略了仿生胸鰭推進(jìn)水動(dòng)力設(shè)計(jì)這一極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這也是造成仿生胸鰭推進(jìn)效率低下的重要原因。此外，對(duì)于仿生胸鰭推進(jìn)水動(dòng)力特性的研究，還主要依賴于流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，且數(shù)值仿真計(jì)算缺乏柔性材質(zhì)的胸鰭與水流相互作用，造成水動(dòng)力數(shù)據(jù)失真。為此，本文通過(guò)研制仿生柔性胸鰭模型及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，搭建試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，采用拖曳水池測(cè)力試驗(yàn)的方法對(duì)仿生柔性胸鰭擺動(dòng)過(guò)程受力進(jìn)行測(cè)試，獲得仿生柔性胸鰭在不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)的受力數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)水池

試驗(yàn)水池選擇上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所船模拖曳試驗(yàn)水池，如圖1所示。水池主要參數(shù)為：總長(zhǎng)192 m，有效試驗(yàn)長(zhǎng)度160 m，寬10 m，水深4 m，拖車運(yùn)行速度0.01～10 m/s。試驗(yàn)水池配備NI 公司集成化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

1.2.1 物理模型

本文依據(jù)生物胸鰭原型輪廓，研制了仿生柔性胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2 所示。該模型由鰭條、硅橡膠蒙皮經(jīng)過(guò)澆筑、固化和脫膜等過(guò)程制作而成，硅橡膠確保試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生柔性光滑的變形運(yùn)動(dòng)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼归L(zhǎng)為1.29 m，根部最大弦長(zhǎng)為1.1 m，根部剖面最大厚度為0.24 m。仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那?、中、后三根鰭條外接三個(gè)伺服電動(dòng)缸，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陔妱?dòng)缸推拉絲杠同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下產(chǎn)生左右擺動(dòng)，在電動(dòng)缸推拉絲杠異步等時(shí)差往復(fù)運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下產(chǎn)生左右擺動(dòng)和鰭面扭轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)電動(dòng)缸絲杠線位移、頻率以及異步時(shí)間差實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的變化。

1.2.2 模型運(yùn)動(dòng)

仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)由三根鰭條帶動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了鰭條的正弦周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下：

圖1 船模拖曳試驗(yàn)水池Fig.1 Ship model towing tank

圖2 仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model of bionic flexible pectoral

式中，θ11，θ12，θ13分別為前中后三根鰭條與鉛垂面的夾角；A 為角度幅值，單位為°；f為擺動(dòng)頻率，單位為Hz；Δ?為相鄰鰭條間的相位差，單位為°。圖3為前中后鰭條運(yùn)動(dòng)定義，F(xiàn)x和Fy分別為模型受到的推力和側(cè)向力。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b如圖4 所示。仿生柔性胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那?、中、后鰭條與對(duì)應(yīng)的電動(dòng)缸相連，形成仿生胸鰭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以豎直垂吊的方式通過(guò)測(cè)力天平傳感器、支撐板等連接，被固定在水池拖車的模型安裝測(cè)試機(jī)構(gòu)上。鰭面轉(zhuǎn)動(dòng)軸心與水面齊平，試驗(yàn)時(shí)隨著拖車沿導(dǎo)軌在水池內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)。此時(shí)模型全部浸沒(méi)在水池中，且其擺動(dòng)過(guò)程中不會(huì)露出水面產(chǎn)生額外的興波阻力干擾。支撐和驅(qū)動(dòng)作用的電動(dòng)缸直線推桿會(huì)在水面以上滑行，但其產(chǎn)生的興波阻力相比于模型全沾濕受到的力而言比重較小，暫時(shí)可忽略其影響。

仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯弦匪販y(cè)力試驗(yàn)包含兩部分運(yùn)動(dòng)，一部分是外部運(yùn)動(dòng)，一部分是自身運(yùn)動(dòng)。外部運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生源于水池拖車的帶動(dòng)，沿導(dǎo)軌方向在水池內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥陨淼倪\(yùn)動(dòng)依靠前、中、后鰭條的運(yùn)動(dòng)牽連產(chǎn)生，具體實(shí)現(xiàn)是：各鰭條在電動(dòng)缸的帶動(dòng)下，以鰭條根部為支撐點(diǎn)，左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿展長(zhǎng)方向的擺動(dòng)；前、中、后鰭條在電動(dòng)缸異步相位（通過(guò)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)）驅(qū)動(dòng)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)鰭面的扭轉(zhuǎn)。通過(guò)改變電動(dòng)缸的頻率、施加到鰭條上的驅(qū)動(dòng)位移、異步相位差等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅值和相位差的變化。測(cè)力天平傳感器感受仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪艿降碾妷鹤兓盘?hào)，并通過(guò)電線、信號(hào)采集器輸送到計(jì)算機(jī)，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。

圖3 前中后鰭條運(yùn)動(dòng)定義Fig.3 Locomotion definition of front fin,middle fin and back fins

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭bFig.4 Installation of experimental model

1.4 測(cè)力天平傳感器

試驗(yàn)天平傳感器（如圖5 所示）采集頻率為200 Hz，三通道最大量程分別為：推力Fx測(cè)量通道1.5 kN、側(cè)向力Fy測(cè)量通道1.5 kN、扭矩Mx測(cè)量通道0.16 kN?m，單向測(cè)力精度為0.5%，串?dāng)_度誤差小于2%。

為了提高測(cè)力試驗(yàn)平臺(tái)與仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接的剛度，采用兩個(gè)三分力天平傳感器串聯(lián)。兩個(gè)天平傳感器前后共軸線布置，并與仿生胸鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)動(dòng)軸線平行且共平面，以便于數(shù)據(jù)處理時(shí)力與力矩的解算。測(cè)力天平傳感器可以測(cè)量模型受到的水平軸向力和垂直于試驗(yàn)?zāi)Ｐ亡捗娴膫?cè)向以及繞試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芰εc天平測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)系為

式中，F(xiàn)x1、Fy1、Mx1、Fx2、Fy2、Mx2分別為測(cè)力天平1、測(cè)力天平2 采集的力和力矩信號(hào)；h 表示測(cè)力天平傳感器軸心到模型轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離。

圖5 測(cè)力天平傳感器Fig.5 Force balance

1.5 試驗(yàn)方法

仿生柔性胸鰭擺動(dòng)拖曳水池試驗(yàn)過(guò)程中，首先將拖車開(kāi)至船塢，完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c拖車的固定連接（胸鰭尖端距離水池底部2 m 左右），檢查無(wú)誤后將拖車緩慢開(kāi)至預(yù)定港位；然后電動(dòng)缸上電，胸鰭運(yùn)動(dòng)控制發(fā)控系統(tǒng)（如圖6 所示）按照預(yù)定工況發(fā)出電動(dòng)缸作動(dòng)指令，電動(dòng)缸單向啟動(dòng)至絲杠的最大位置，延遲30 s后鰭條在電動(dòng)缸的帶動(dòng)下在鉛垂面內(nèi)產(chǎn)生周期性左右擺動(dòng)，拖車延時(shí)60 s后啟動(dòng)并緩慢加速至試驗(yàn)速度；最后待拖車速度穩(wěn)定后，測(cè)力天平傳感器采集胸鰭受力的電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換獲得模型受的力和力矩，截取幾個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果。通過(guò)控制電動(dòng)缸輸出的頻率、輸出軸位移以及3個(gè)電動(dòng)缸之間作動(dòng)時(shí)間間隔獲得鰭條不同頻率、擺幅和相位差。

試驗(yàn)過(guò)程中，拖車速度保持為0.4 m/s，對(duì)應(yīng)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re為5.16×105。

圖6 上位機(jī)控制界面Fig.6 PC control interface

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 仿生胸鰭運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

圖7給出了仿生胸鰭典型擺動(dòng)工況下仿生柔性胸鰭模型的形狀變化圖像。仿生胸鰭在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下產(chǎn)生了左右擺動(dòng)+鰭面扭轉(zhuǎn)耦合的主動(dòng)柔性大變形，模型胸鰭尖端的薄壁區(qū)域受到水流的阻滯作用，發(fā)生了較為嚴(yán)重的不規(guī)則被動(dòng)變形，此現(xiàn)象較好地反映了胸鰭的柔性特征。

圖7 水下仿生胸鰭擺動(dòng)形態(tài)圖像Fig.7 Shape image of underwater bionic pectoral fin oscillation

2.2 流場(chǎng)形態(tài)分析

圖8 給出了仿生胸鰭典型擺動(dòng)工況下尾流場(chǎng)形態(tài)。在尾流場(chǎng)中產(chǎn)生了明顯的尾渦，相鄰尾渦的旋向相反，并沿仿生胸鰭轉(zhuǎn)軸中心線等間距排布，對(duì)比圖8（b）中卡門渦街形態(tài)，仿生胸鰭擺動(dòng)尾渦呈現(xiàn)與卡門渦街旋轉(zhuǎn)方向相反的結(jié)構(gòu)特征，可稱之為反卡門渦街形態(tài)，這也是仿生擺動(dòng)推力產(chǎn)生的根源。分析系列的試驗(yàn)圖像發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖9～10），擺動(dòng)頻率越大，尾流中相鄰渦核水平間距L 越小；擺動(dòng)角度幅值越大，尾流中相鄰渦核縱向間距H越大。

圖8 尾渦流場(chǎng)試驗(yàn)圖像Fig.8 Experimental image of vortex flow

圖9 不同頻率下渦核水平位置Fig.9 The horizontal distribution of vortex core region under different frequencies

圖10 不同擺動(dòng)角度下渦核縱向位置Fig.10 The vertical distribution of vortex core region under different swing angle

2.3 水動(dòng)力特性分析

2.3.1 水動(dòng)力參數(shù)定義

此外，定義Ct_max、Ct_min 分別為推力系數(shù)周期性震蕩幅值的最大和最小值，Cn_max、Cm_max 分別為側(cè)向力系數(shù)、力矩系數(shù)周期性震蕩幅值的最大值（最小值與最大值的絕對(duì)值相等）。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)頻率影響

圖11給出了仿生胸鰭模型不同擺動(dòng)頻率下（分別為0.2、0.3、0.4 Hz，此時(shí)拖車速度、擺動(dòng)角度和相位差均一致）的水動(dòng)力特性變化曲線，圖中曲線的負(fù)值代表正推力（與運(yùn)動(dòng)方向相反，下同）。圖中結(jié)果表明：頻率越大，推力曲線Ct峰值和均值也越大（由負(fù)推力變?yōu)檎屏Γ?、?cè)向力曲線Cn和繞胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力矩曲線Cm峰值也越大；仿生胸鰭擺動(dòng)過(guò)程中柔性鰭面受到流體力的作用，胸鰭材料產(chǎn)生明顯的彈性變形（0.4 Hz工況下尤為明顯），導(dǎo)致整個(gè)胸鰭發(fā)生不規(guī)則形狀變化影響，推力曲線Ct在均值上下呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，均值線以上Ct曲線時(shí)間行程較長(zhǎng)，且頻率越大，這種非對(duì)稱現(xiàn)象越顯著；側(cè)向力曲線Cn和力矩曲線Cm受鰭面不規(guī)則形狀變化影響較小，呈現(xiàn)較好的正弦變化特征。

圖11 頻率對(duì)水動(dòng)力參數(shù)影響曲線Fig.11 The hydrodynamic parameter curves under different frequencies

將各力系數(shù)在周期內(nèi)進(jìn)行平均計(jì)算，獲得力系數(shù)周期均值隨柔性胸鰭運(yùn)動(dòng)頻率變化關(guān)系，如圖12所示。圖中，無(wú)量綱推力均值為正，代表此時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪艿降乃畡?dòng)力為阻力（下同）。隨著頻率的增大，柔性胸鰭受到的正向推力均值在減小，表示此時(shí)凈推力在增大，即推力均值隨頻率增大而近似線性增大。此外，各力和力矩系數(shù)周期振蕩的最大幅值隨頻率增大而近似線性增大。

圖12 頻率對(duì)水動(dòng)力參數(shù)均值、幅值影響曲線Fig.12 Influence of frequency on the average and the amplitude of hydrodynamic parameters

2.3.3 擺動(dòng)角度幅值影響

圖13給出了仿生胸鰭模型不同擺動(dòng)角度下（此時(shí)拖車速度、擺動(dòng)頻率和相位差均一致）水動(dòng)力特性變化曲線。圖中曲線表明：擺動(dòng)角度越大，推力曲線Ct峰值和均值也越大（由負(fù)推力變?yōu)檎屏Γ?cè)向力曲線Cn和繞胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力矩曲線Cm峰值也越大；與水動(dòng)力曲線受頻率影響變化特性類似，柔性鰭面不規(guī)則形狀變化引起了推力曲線Ct均值上下曲線呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，擺動(dòng)角度越大，非對(duì)稱現(xiàn)象越顯著；側(cè)向力曲線Cn和力矩曲線Cm受鰭面不規(guī)則形狀變化影響較小，呈現(xiàn)較好的正弦變化特征。

圖14給出了力系數(shù)周期均值隨柔性胸鰭擺動(dòng)角度變化關(guān)系。隨著擺動(dòng)角度的增大，柔性胸鰭受到的正向推力均值也在減小，表示此時(shí)凈推力在增大，即推力均值隨擺動(dòng)角度增大而近似線性增大。此外，各力和力矩系數(shù)周期振蕩的最大幅值隨擺動(dòng)角度的增大而近似線性增大。

圖13 擺動(dòng)角度對(duì)水動(dòng)力參數(shù)影響曲線Fig.13 Influence of swing angle on hydrodynamic parameters

圖14 擺動(dòng)角度對(duì)水動(dòng)力參數(shù)均值、幅值影響曲線Fig.14 Influence of swing angle on the average and the amplitude of hydrodynamic parameters

2.3.4 相位差影響

圖15給出了仿生胸鰭模型不同相位差下（此時(shí)拖車速度、擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)角度一致）水動(dòng)力特性變化曲線。圖中曲線表明：相位差越?。ù藭r(shí)對(duì)應(yīng)鰭面整體扭轉(zhuǎn)較?。?，推力曲線Ct峰值越大、側(cè)向力曲線Cn和繞胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力矩曲線Cm峰值也越大；與水動(dòng)力曲線受頻率影響變化特性類似，柔性鰭面不規(guī)則形狀變化引起了推力曲線Ct在均值上下呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，均值線以上Ct曲線時(shí)間行程較長(zhǎng)，相位差越小，非對(duì)稱現(xiàn)象越顯著；側(cè)向力曲線Cn和力矩曲線Cm受鰭面不規(guī)則形狀變化影響較小，呈現(xiàn)較好的正弦變化特征。

圖15 相位差對(duì)水動(dòng)力參數(shù)影響曲線Fig.15 Influence of phase difference on hydrodynamic parameters

圖16給出了力系數(shù)周期均值隨柔性胸鰭運(yùn)動(dòng)相位差變化關(guān)系。隨著相位差角度的增大，柔性胸鰭受到的正向推力均值呈現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，表示此時(shí)凈推力先增大后減小，即存在一個(gè)最佳相位差，使柔性胸鰭推力達(dá)到最大值。各力和力矩系數(shù)周期振蕩的最大幅值隨相位差變化減小。

圖16 相位差對(duì)水動(dòng)力參數(shù)均值、幅值影響曲線Fig.16 Influence of phase difference on the average and the amplitude of hydrodynamic parameters

3 結(jié) 論

本文針對(duì)仿生柔性胸鰭推進(jìn)模式下水動(dòng)力特性研究，研制了仿生柔性胸鰭測(cè)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ图膀?qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，首次在大型拖曳水池環(huán)境下完成了仿生胸鰭擺動(dòng)過(guò)程測(cè)力試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試了頻率、擺動(dòng)角度、相位差等因素對(duì)仿生胸鰭模型水動(dòng)力的影響，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的分析獲得如下結(jié)論：

（1）仿生柔性胸鰭模型擺動(dòng)過(guò)程中受到水流的阻滯作用，模型胸鰭尖端的薄壁區(qū)域發(fā)生了較為嚴(yán)重的不規(guī)則被動(dòng)變形，此現(xiàn)象較好地反映了胸鰭的柔性特征。

（2）仿生胸鰭擺動(dòng)過(guò)程中，在尾流場(chǎng)中產(chǎn)生明顯的反卡門渦街，且擺動(dòng)頻率越大，相鄰渦核水平間距就越?。粩[動(dòng)角度幅值越大，相鄰渦核縱向間距就越大。

（3）仿生胸鰭擺動(dòng)頻率越大、擺動(dòng)角度越大、胸鰭鰭條間的相位差越小，胸鰭產(chǎn)生的推力、側(cè)向力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩峰值就越大；受仿生胸鰭擺動(dòng)過(guò)程柔性鰭面不規(guī)則形狀變化的影響，推力曲線Ct在均值上下呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，頻率越大、擺動(dòng)角度越大、相位差越小，非對(duì)稱現(xiàn)象就越顯著；側(cè)向力曲線Cn、力矩曲線Cm受鰭面不規(guī)則形狀變化影響較小，呈現(xiàn)較好的正弦變化特征。

（4）頻率越大、擺動(dòng)角度越大，柔性胸鰭凈推力就越增大，且推力均值、各力和力矩系數(shù)周期振蕩的最大幅值隨頻率、擺動(dòng)角度增大而近似線性增大。

（5）相位差越大，柔性胸鰭凈推力先增大后減小，各力和力矩系數(shù)周期振蕩的最大幅值也減小?？梢酝茢?，存在一個(gè)最佳相位差，使柔性胸鰭推力達(dá)到最大值。