宏壓電纖維致動(dòng)的水下推進(jìn)器性能及機(jī)理*

林煌旭， 任梟榮， 婁軍強(qiáng), 2， 賈 振

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 寧波,315211)

(2.浙江大學(xué)浙江省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州,310027)

引 言

隨著陸地資源的日益枯竭，蘊(yùn)藏著豐富礦產(chǎn)資源的海洋是維持人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重要空間。模擬海洋生物的仿生水下推進(jìn)器擁有出色的流體動(dòng)力學(xué)性能，具有推進(jìn)效率高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)且隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物觀察及資源勘探領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。以魚(yú)類(lèi)為代表的海洋生物進(jìn)化出了卓越的水下運(yùn)動(dòng)能力。近85%的魚(yú)類(lèi)都采用了身體/尾鰭推進(jìn)方式[2]。BCF模式的鲹科魚(yú)類(lèi)推進(jìn)效率可超過(guò)90%，是迄今為止魚(yú)類(lèi)演化出的效率最高、速度最快的推進(jìn)模式，被認(rèn)為是未來(lái)水下推進(jìn)裝置的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]。

早期的仿生水下推進(jìn)器多采用電機(jī)、氣/液壓等常規(guī)驅(qū)動(dòng)元件，配合鉸鏈、連桿機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)模仿魚(yú)的軀干及尾部的擺動(dòng)。但是復(fù)雜龐大的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致推進(jìn)器動(dòng)作生硬、柔度不高，推進(jìn)效率難以媲美模仿的魚(yú)類(lèi)。智能材料發(fā)展為水下驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了新的途徑[4]。智能材料可與基體結(jié)構(gòu)直接集成，實(shí)現(xiàn)“近零驅(qū)動(dòng)”。采用智能材料驅(qū)動(dòng)的仿生推進(jìn)器打破了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的限制，表現(xiàn)出較大的柔性，從而較好地模擬魚(yú)類(lèi)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。研究者將壓電材料[5]、形狀記憶合金[6]以及離子導(dǎo)電聚合物材料[7]等智能材料成功地用于新型水下仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)，證實(shí)了智能材料在水下推進(jìn)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局率先研制出了宏壓電纖維復(fù)合材料，MFC展示出了柔性好、變形大且驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水下仿生推進(jìn)系統(tǒng)中具有廣闊應(yīng)用前景[8]。但是由于智能材料驅(qū)動(dòng)的水下推進(jìn)系統(tǒng)研究尚處于起步階段，目前研究大都止于可行性驗(yàn)證階段，研究重點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)方法可行性和方案可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)整個(gè)仿生推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性和推進(jìn)機(jī)理缺乏深入研究[9]。

文中在描述MFC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鲹科魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)方式和特點(diǎn)，提出了一種宏壓電纖維致動(dòng)的仿鲹科水下推進(jìn)器。搭建了推進(jìn)器性能測(cè)試平臺(tái)，分別對(duì)推進(jìn)器在空氣中和水下的擺動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，采用計(jì)算流體力學(xué)研究了推進(jìn)器擺動(dòng)過(guò)程中的流場(chǎng)特性和尾跡旋渦的分布情況，得到了推進(jìn)器在不同擺動(dòng)時(shí)刻瞬態(tài)流場(chǎng)的渦量云圖以及速度矢量的變化情況，揭示了提出的仿生推進(jìn)器的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制和推進(jìn)機(jī)理。

1 MFC致動(dòng)的水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)描述1.1 MFC的基本構(gòu)成

宏壓電纖維復(fù)合材料是由美國(guó)Langley研究中心研發(fā)的新型壓電纖維復(fù)合材料[10]。MFC按照一定的比例成分和空間排布形式將矩形橫截面的粗壓電纖維和樹(shù)脂基體膠合在一起，同時(shí)采用特殊工藝將指交叉電極蝕刻在包銅聚酰亞胺薄膜上，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。樹(shù)脂基體增強(qiáng)了MFC結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性；指交叉電極排列方式增加了壓電陶瓷與電極之間的接觸面積，大幅度提高了MFC的變形和驅(qū)動(dòng)能力；最外層的聚酰亞胺薄膜能保證其密封性和防水性。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷相比，MFC具有柔性更好、驅(qū)動(dòng)變形量大且能量轉(zhuǎn)換效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合作為水下推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)元件。

圖1 MFC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of MFC actuator

1.2 仿鲹科諧振式水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

鲹科魚(yú)類(lèi)自主游動(dòng)過(guò)程中，頭部和胸部的橫向位移幾乎可以忽略，可將其身體大約2/3部分視為剛體，其巨大的推進(jìn)力主要是尾部擺動(dòng)產(chǎn)生。鲹科魚(yú)類(lèi)BCF諧振式推進(jìn)模式中，其柔性尾部協(xié)調(diào)身體擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力前進(jìn)，且擺動(dòng)幅度從身體后部到尾鰭逐漸增大，其尾部擺動(dòng)產(chǎn)生的推進(jìn)力占整個(gè)身體前進(jìn)所需推進(jìn)力的90%以上，其擺動(dòng)推進(jìn)過(guò)程如圖2所示[11]。

圖2 鲹科魚(yú)類(lèi)BCF諧振式推進(jìn)過(guò)程示意圖Fig.2 BCF oscillatory propulsion process for carangiform fish

由于鲹科魚(yú)類(lèi)在推進(jìn)過(guò)程中頭部和胸部基本不動(dòng)，主要靠尾部帶動(dòng)尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)作用，許多研究者都采用經(jīng)典的懸臂式Euler-Bernoulli梁模型來(lái)模擬鲹科魚(yú)類(lèi)BCF擺動(dòng)推進(jìn)模式，文中建立MFC致動(dòng)的推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]。

圖3 MFC致動(dòng)的水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the underwater propeller actuated by MFC

如果對(duì)MFC施加一定的交變電壓，MFC將沿著基體橫向方向產(chǎn)生伸縮變形，帶動(dòng)基體材料不斷地產(chǎn)生彎曲變形，其中粘貼有MFC的基體部分在MFC帶動(dòng)下主動(dòng)變形，而沒(méi)有粘貼MFC的基體部分在主動(dòng)變形部分的帶動(dòng)下也會(huì)發(fā)生變形，從而產(chǎn)生類(lèi)似于鲹科魚(yú)類(lèi)尾部的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而模擬鲹科魚(yú)類(lèi)的擺動(dòng)式推進(jìn)模式，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MFC致動(dòng)的水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)尺寸表Tab.1 Structural parameters of the underwater propeller

1.3 仿鲹科水下推進(jìn)器擺動(dòng)機(jī)理

圖3(b)中，推進(jìn)器在x-z平面內(nèi)的擺動(dòng)狀態(tài)是細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)特征，理論上常用歐拉-伯努利梁模型來(lái)表示推進(jìn)器模型的彎曲變形[13]。

其運(yùn)動(dòng)方程描述為

(1)

其中：ρ為推進(jìn)器材料的等效密度;A(x)為等效橫截面積；EI(x)為彎曲剛度；F(x,t)為MFC驅(qū)動(dòng)力和流體載荷共同作用的合力。

由于推進(jìn)器前身基本不動(dòng)，近似可認(rèn)為其滿(mǎn)足一端固定，一端自由的懸臂梁邊界條件為

(2)

利用假設(shè)模態(tài)法和懸臂梁邊界條件確定推進(jìn)器各階主振型函數(shù)為

zr(x)=chβrx-cosβrx+ξr(shβrx-sinβrx)

(3)

其中：ξr=-(chβrL+cosβrL)/(shβrL+sinβrL)；zr(x)為推進(jìn)器在第r階振型時(shí)的橫向位移。

2 推進(jìn)器性能測(cè)試系統(tǒng)搭建

仿生推進(jìn)器的擺動(dòng)行為直接決定了推進(jìn)器的推進(jìn)性能，為了測(cè)試MFC致動(dòng)器的致動(dòng)效果，搭建了推進(jìn)器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中壓電纖維采用美國(guó)Smart Material Corp.生產(chǎn)的d33模式MFC，型號(hào)為MFC 8514-P1，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠水DP-460將MFC與梁基體進(jìn)行粘貼。

圖4 推進(jìn)器性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the underwater propeller system

推進(jìn)器性能測(cè)試過(guò)程中，控制平臺(tái)發(fā)出控制信號(hào)到嵌入式機(jī)箱CompactDAQ (NI, cDAQ-9178)，通過(guò)電壓輸出模塊(NI, AO9263)輸出并經(jīng)高壓功率放大器(Trek，PZD700A，放大增益200)放大，最后施加到MFC上，從而驅(qū)動(dòng)MFC按照設(shè)定的控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用布置在推進(jìn)器末端的激光位移傳感器(Micro-EPSILON, ILD1402-50)實(shí)時(shí)檢測(cè)推進(jìn)器末端的縱向擺動(dòng)位移，其擺動(dòng)位移信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)電壓輸入模塊(NI, AI9205)采集到cDAQ機(jī)箱，最后輸送到計(jì)算機(jī)中。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)基于NI-LABVIEW平臺(tái)完成，系統(tǒng)實(shí)物裝置見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Experimental setup of the underwater propeller system

3 仿生推進(jìn)器擺動(dòng)性能測(cè)試

3.1 空氣中推進(jìn)器擺動(dòng)性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中首先通過(guò)掃頻實(shí)驗(yàn)激起推進(jìn)器的彈性振動(dòng)以掌握其模態(tài)特性?？紤]到低階振動(dòng)模態(tài)在推進(jìn)器振動(dòng)特性中的主導(dǎo)地位，采用頻率范圍0.1～30 Hz，電壓峰峰值為800 V的正弦掃頻信號(hào)施加到MFC致動(dòng)器上，整個(gè)掃頻過(guò)程持續(xù)20 s，采樣頻率為500 Hz。從空氣中推進(jìn)器掃頻實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中可以看出：MFC致動(dòng)器作用下，推進(jìn)器產(chǎn)生了明顯的彈性振動(dòng)，其一階固有頻率為17.7 Hz，擺動(dòng)幅度峰峰值最大可達(dá)35 mm以上。

為了進(jìn)一步測(cè)試推進(jìn)器在空氣中的擺動(dòng)特性，進(jìn)行了不同幅值和頻率的驅(qū)動(dòng)電壓下，推進(jìn)器末端擺動(dòng)幅值變化的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)?？紤]到壓電纖維致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-500～1 500 V，實(shí)驗(yàn)中施加無(wú)偏置、峰峰值分別為200,400,600,800 V及1 000 V，頻率范圍為12～22 Hz、間隔為1 Hz的電壓激勵(lì)信號(hào)到壓電纖維致動(dòng)器上，測(cè)得推進(jìn)器末端振幅隨激勵(lì)電壓的變化情況如圖6所示。

圖6 空氣中推進(jìn)器末端擺幅隨驅(qū)動(dòng)電壓變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 In air experimental result of the oscillatory amplitude with varied driving voltage

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：相同激勵(lì)電壓幅值下，推進(jìn)器在固有頻率處具有最大的擺幅；在峰峰值1 000 V的激勵(lì)電壓下，其空氣中的擺幅峰峰值可達(dá)45 mm。初步證實(shí)了所提出方案的可行性。

3.2 水下推進(jìn)器擺動(dòng)性能測(cè)試

在周?chē)黧w動(dòng)力學(xué)的影響下，推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的固有頻率會(huì)顯著下降。采用流體動(dòng)力學(xué)函數(shù)對(duì)推進(jìn)器空氣中的固有頻率進(jìn)行修正，可得其水下固有頻率表達(dá)式[13]為

(4)

其中：ρw為水的密度；ρc為推進(jìn)器等效密度，由等效體積法確定值為2 689 kg/m3；b和h分別為基體寬度和厚度；Гr為水動(dòng)力學(xué)函數(shù)，此處可近似取為1。經(jīng)計(jì)算可得推進(jìn)器水下固有頻率ffluid約為4.9 Hz。

為了掌握水下推進(jìn)器的低階模態(tài)特性，采用頻率范圍0.1～7 Hz，電壓峰峰值為800 V的正弦掃頻信號(hào)施加到MFC致動(dòng)器上。從水下推進(jìn)器掃頻實(shí)驗(yàn)?zāi)┒宋灰祁l譜圖7中可以看出：其水下固有頻率約為4.2 Hz，與修正公式計(jì)算結(jié)果基本一致。與空氣中測(cè)試實(shí)驗(yàn)相似，同樣施加5個(gè)不同峰峰值，頻率范圍為2～7 Hz、間隔為0.5 Hz的電壓激勵(lì)信號(hào)到壓電纖維致動(dòng)器，測(cè)得水下推進(jìn)器末端振幅隨激勵(lì)電壓的變化情況見(jiàn)圖8。

圖7 水中推進(jìn)器掃頻實(shí)驗(yàn)?zāi)┒藬[動(dòng)位移頻譜圖Fig.7 Underwater frequency response of the propeller

圖8 水下推進(jìn)器末端振幅隨驅(qū)動(dòng)電壓變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Underwater experimental result of the oscillatory amplitude with varied driving voltage

顯然受周?chē)黧w作用力的影響，不僅推進(jìn)器結(jié)構(gòu)固有頻率顯著降低，其在相同驅(qū)動(dòng)電壓下末端擺動(dòng)幅度也大幅度下降。在峰峰值1 000 V激勵(lì)電壓致動(dòng)下，水下推進(jìn)器最大擺幅的峰峰值僅為13 mm。需要指出的是：實(shí)驗(yàn)中水下推進(jìn)器最大擺幅是在頻率為3 Hz的激勵(lì)電壓作用下取得的，明顯低于推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的水下固有頻率；這是由于壓電纖維材料本身的機(jī)電耦合特性、遲滯非線(xiàn)性以及流體水動(dòng)力特性相互影響的結(jié)果，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，存在著剛度軟化現(xiàn)象[14]。

4 推進(jìn)器諧振式推進(jìn)機(jī)理分析

仿生推進(jìn)器通過(guò)模擬魚(yú)類(lèi)BCF擺動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，由于水下推進(jìn)器的往復(fù)擺動(dòng)屬于復(fù)雜的流固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，難以通過(guò)理論建模的方法進(jìn)行分析求解，故此處采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)其擺動(dòng)式推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行研究?；贏NSYS-FLUENT仿真平臺(tái)，采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型，選擇彈簧光順和局部重構(gòu)方法相結(jié)合的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)刻畫(huà)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并設(shè)置力函數(shù)來(lái)定義推進(jìn)器的往復(fù)擺動(dòng)過(guò)程。

CFD仿真分析中建立的計(jì)算域和網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。長(zhǎng)方體流體域的尺寸為545 mm×222 mm×300 mm，3個(gè)方向尺寸都遠(yuǎn)大于推進(jìn)器尺寸，從而保證推進(jìn)器周?chē)牧黧w能充分發(fā)展，最后采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分，獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)187 582個(gè)。

圖9 FLUENT中計(jì)算域和網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.9 Computational domain and grid meshing results in FLUENT

4.1 CFD仿真結(jié)果分析

由圖8可知推進(jìn)器在峰峰值1 000 V，激勵(lì)頻率4 Hz的激勵(lì)電壓下，擺幅峰峰值達(dá)到10.4 mm。故CFD仿真分析中設(shè)定推進(jìn)器的擺動(dòng)頻率為4 Hz，單側(cè)擺幅為5.2 mm；為了便于分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，定義推進(jìn)器末端的擺動(dòng)位置和擺動(dòng)相位角的關(guān)系如圖10所示。定義推進(jìn)器擺動(dòng)到最左端，速度為零的時(shí)刻為0°相位；推進(jìn)器擺動(dòng)到中間位置，向右運(yùn)動(dòng)速度最大的時(shí)刻為90°相位；同理最右端速度為零時(shí)刻為180°相位，向左運(yùn)動(dòng)速度最大的中間位置270°相位。

圖10 推進(jìn)器擺動(dòng)位置和相位角關(guān)系圖Fig.10 Definition of the phase angle of the oscillating propeller

由于推進(jìn)器在啟動(dòng)初始階段與周?chē)黧w的耦合效應(yīng)較為復(fù)雜，且處于不穩(wěn)定階段，故此處選取推進(jìn)器擺動(dòng)35個(gè)周期以后的流場(chǎng)穩(wěn)定變化情況來(lái)分析其擺動(dòng)過(guò)程的流場(chǎng)特性。圖11給出了靜水條件下瞬態(tài)流場(chǎng)的渦量云圖以及速度矢量圖在一個(gè)完整擺動(dòng)周期內(nèi)的穩(wěn)定變化情況，其中從相位角0°開(kāi)始，以45°為間隔，共8個(gè)典型相位。

圖11 瞬態(tài)流場(chǎng)渦量云圖以及速度矢量變化圖Fig.11 Computed instantaneous velocity fields and vorticity distribution

從擺動(dòng)的推進(jìn)器端部渦流發(fā)展變化的8幅時(shí)間序列圖11(a)～(h)中可以看出：推進(jìn)器端部從左向右的擺動(dòng)過(guò)程中(0→180°)，在0→45°相位，推進(jìn)器端部左側(cè)萌發(fā)出一個(gè)新的逆時(shí)針旋渦A，見(jiàn)圖11(a)。隨著推進(jìn)器加速向右擺動(dòng)，旋渦的強(qiáng)度和范圍不斷發(fā)展壯大，在45°相位已經(jīng)有了明顯的圓環(huán)形狀見(jiàn)圖11(b)，且旋渦的面積和能量密度逐漸增大(45°→90°→135°)，直到推進(jìn)器擺動(dòng)到右極限位置相位180°，左側(cè)逆時(shí)針旋渦A與推進(jìn)器末端完全脫離，見(jiàn)圖11(e)。而同時(shí)，在推進(jìn)器末端右側(cè)又醞釀出一個(gè)新生的順時(shí)針旋渦Bn (圖11e)，在推進(jìn)器末端從右向左的擺動(dòng)過(guò)程中(180→270°→0°+T)，順時(shí)針旋渦Bn不斷形成、壯大、直至最后脫落。在順時(shí)針旋渦Bn發(fā)展的同時(shí)，逆時(shí)針旋渦A完全脫離推進(jìn)器末端向右后傳播，且能量強(qiáng)度逐漸減小(圖11(a),(f)～(h))。

從圖11渦流云圖的變化過(guò)程中可以看出：由于上一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生旋渦的存在，在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)的任意相位，推進(jìn)器端部一對(duì)交替出現(xiàn)、旋向相反的旋渦始終清晰可見(jiàn)，并且兩個(gè)旋向相反的旋渦相遇并卷到一起，形成一對(duì)近似對(duì)稱(chēng)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)；在下一個(gè)周期里，推進(jìn)器擺動(dòng)引起的流場(chǎng)特征和上一個(gè)周期相似，從而周而復(fù)始產(chǎn)生新的渦流，渦流又周期性地脫落，進(jìn)而產(chǎn)生“反卡門(mén)渦街”流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)在水中生物游動(dòng)過(guò)程中被觀察到，并用來(lái)解釋魚(yú)類(lèi)生物的游動(dòng)推進(jìn)機(jī)理[15-16]。

由于反卡門(mén)渦街結(jié)構(gòu)的存在，兩個(gè)旋向相反的旋渦交匯在一起，產(chǎn)生一股向斜后方運(yùn)動(dòng)的射流，如圖11(a)～(h)中的白色直線(xiàn)所示。推進(jìn)器結(jié)構(gòu)在射流反作用力的作用下向前推進(jìn)。這就是推進(jìn)器模擬魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的擺動(dòng)式推進(jìn)機(jī)理。

4.2 CFD推進(jìn)力計(jì)算

圖12給出了推進(jìn)器端部沿x方向上的推進(jìn)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖可知，由于推進(jìn)器端部剛開(kāi)始啟動(dòng)階段加速度比較大，推進(jìn)力明顯增大；在周?chē)黧w阻力作用下，波動(dòng)曲線(xiàn)幅值開(kāi)始衰減，在2 s之后趨于穩(wěn)定。由于推進(jìn)力的波動(dòng)曲線(xiàn)不是關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)的，因此推進(jìn)力一個(gè)周期內(nèi)的平均值不等于零，故能給推進(jìn)器提供動(dòng)力。仿真結(jié)果表明，在擺動(dòng)頻率為4 Hz，單側(cè)擺幅達(dá)到5.2 mm條件下，推進(jìn)器端部在x方向上的平均推進(jìn)力可達(dá)到1.5 mN。

圖12 推進(jìn)器端部x方向上的推進(jìn)力時(shí)變曲線(xiàn)Fig.12 Variation of the thrust at the x direction

5 結(jié)束語(yǔ)

借鑒鲹科魚(yú)類(lèi)的推進(jìn)方式和游動(dòng)特點(diǎn)，筆者提出了一種宏壓電纖維致動(dòng)的仿鲹科諧振式水下推進(jìn)器。仿生推進(jìn)器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空氣中仿生推進(jìn)器在固有頻率處具有最佳擺動(dòng)效果，擺幅最大；而在周?chē)黧w作用下，仿生推進(jìn)器在水下的固有頻率和最大擺幅都遠(yuǎn)小于空氣中的情況，且其最大擺幅在略微小于水下固有頻率處取得，隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值的升高，存在著剛度軟化現(xiàn)象。

采用CFD分析了仿生推進(jìn)器在穩(wěn)定擺動(dòng)過(guò)程中不同相位的流場(chǎng)特性和尾跡旋渦的分布情況。從推進(jìn)器瞬態(tài)流場(chǎng)的渦量云圖中觀察到了“反卡門(mén)渦街”結(jié)構(gòu)，且在兩個(gè)旋渦的交匯地帶產(chǎn)生了一股向斜后運(yùn)動(dòng)的水流，推進(jìn)器在向后噴射水流的反作用力下向前推進(jìn)。故揭示了仿生推進(jìn)器的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制和推進(jìn)機(jī)理。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，推進(jìn)器端部在x方向上的平均推進(jìn)力可達(dá)到1.5 mN。筆者的研究結(jié)果對(duì)智能材料驅(qū)動(dòng)的水下推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和推進(jìn)機(jī)理研究具有一定的參考和借鑒意義。