蓝鲨胸鳍弹性形变描述函数及其流固耦合受力特性研究

Prionace glauca employs high efficient and long distance cruising mode and the pectoral fins play key role in keeping body blancing and stable. Prionace glauca is similar with the AUV equipment as for structure and cruising　posture. Taking pectoral fins as the breakthrough point to conduct relative research is impportant to improve the AUV motion control level.Spread of pectoral fin surface deformation,thickness,elasticity and curvature automatically varies with the surrounding flow field. The variation will buffer the instability in cruising and help to absorb the water momentum of the surrounding flow field to forward, which will dramatically decerease the energy cost and improve the moving efficiency. Fluid solid coupling computation method including elasticity describing function etc. is constructed to calculate the pectoral fin deformation confronting to the flow fluent. The stress variation and its period feature corresponding with the envionment factors can be obtained. Furthermore, the buffer mechanism of the instable surrounding environment factors from the periodical variable stress is to be researched to seek the improvement ratio of the cruising stability, power and efficiency. Revise the new stress characteristic computation method by DPIV technique to observe the elastic deformation in the water tank. The new elasticity fluid solid coupling computation method will contribute to obtain the underwater biology body stress spread and dynamic efficiency in the flow field, which will guide the research of the biomimetic material manufacture and the AUV equipments performance inmprovement.

蓝鲨具有高效率和远距离的巡游模式，其胸鳍起到重要的平衡和稳定作用，蓝鲨从形体和游动姿态来说接近AUV等海工装备，以胸鳍为突破口进行相关研究对于提升AUV运动水平具有重要意义。胸鳍表面形变、厚度、弹性和曲率分布等随环境流场状况变化而自适应调整，这种调整会缓冲鱼体巡游过程中的受力不稳定性，并有助于吸收环境水流动量用于前进，有效减小能耗损失，提升运动效率。构建包含弹性分布等描述函数的流固耦合计算方法计算胸鳍水流冲击下的弹性形变，可以获得与环境参数相关的受力分布及其周期性变化规律。进一步研究这种周期性受力变化弥合外界环境参数不稳定的机制，得到鱼体运动平稳性、动力和效率的提升幅度。在动水槽中利用DPIV技术进行胸鳍弹性形变观测，对新的受力特性计算方法实施修正。新的弹性流固耦合计算方法有助于获得水下生物结构体流场下的形变受力分布和动力效率，为相关仿生材料制备和AUV等装备性能提升提供指导。

蓝鲨具有高效率和远距离的巡游模式，其胸鳍起到重要的平衡和稳定作用。胸鳍表面形变、厚度、弹性和曲率分布等随环境流场状况变化而自适应调整，这种调整会缓冲鱼体巡游过程中的受力不稳定性，并有助于吸收环境水流动量用于前进，有效减小能耗损失，提升运动效率。蓝鲨从形体规格和游动姿态复杂度来说接近AUV等海工装备，以胸鳍为突破口进行相关研究对于提升AUV优化设计和运动控制水平具有重要意义。. 研究内容：1）蓝鲨及其胸鳍弹性物理特性分析，流场中蓝鲨胸鳍对于游动性能稳定性作用机制及表面微形变规律研究；2）蓝鲨弹性流固耦合受力计算方法研究及平台构建，基于蓝鲨胸鳍表面形变和整体物理特性的在不同环境下的受力分布数值计算；3）基于蓝鲨胸鳍结构受力结果的数据系统分析，搭建水槽实验平台并进行对比试验。. 研究结果：1）在蓝鲨及其胸鳍三维精细化建模的基础上，基于其表面弹性生物物理特性分析结果，进行了动网格构建和基于FLUENT/COMSOL的流固耦合受力计算，基于计算流程和结果，对于COMSOL软件进行二次开发，形成了以关键参数为变量的计算平台和微变形图像比较处理软件一套；2）获得了流场中蓝鲨胸鳍表面微形变非线性变化特性及函数描述，并对侧鳍后方涡街的形成条件与规律进行了分析，得到了流场中不同表面材料的最佳弹性模量等指标性数据；3）设计了水槽试验方案，对不同流场中的蓝鲨胸鳍受力特性进行了测试和分析，形成了一般意义下的受力变化分布函数。. 本研究通过构建包含弹性分布等描述函数的流固耦合计算方法计算胸鳍流场中的弹性形变，获得了与环境参数相关的受力分布及其周期性变化规律。进一步研究了这种周期性受力变化弥合外界环境参数不稳定的机制，得到了鱼体运动平稳性、动力和效率的提升幅度。 新的弹性流固耦合计算方法及结论有助于获得水下生物结构体流场下的形变受力分布和动力效率，可为相关仿生材料制备和AUV、半潜船等装备的稳定性结构优化及表面覆膜设计等提供基础性理论指导。.