浮力产生实验设计论文提纲

论文题目：融合水下滑翔的两栖仿生机械蟹总体结构设计和游动仿真分析

摘要：随着现代仿生机器人的研究深入,两栖仿生机器人因其强大的环境适应性备受关注。生物海蟹作为一种浅滩两栖生物,既可以水陆爬行,也可以水中游动,具备优越的两栖运动能力。本文工作在国家自然科学基金资助下开展,以海蟹为仿生对象,在实现两栖运动的前提下,融合水下滑翔功能,研制一台两栖仿生机械蟹样机。目前工作内容包括总体结构设计、水下滑翔系统研究、水下游动仿真以及样机实验。论文具体开展了以下研究工作:首先基于生物海蟹生理结构研究分析,融合水下滑翔结构,提出了两栖仿生机械蟹总体结构方案,包括机体、步行足、游泳足、防水电子盒、浮力调节系统舱等模块的详细设计和强度校核,并制定了满足工作水深下防水效果的水下密封方案。在此基础上,对机械蟹的自由度和稳定性进行了分析。在Solid Works建立机械蟹整机模型后,对各零部件进行材质设置,计算其总重量和总浮力,得到重心与浮心的坐标信息,对后续研究和实验有很好的指导作用。其次提出了两栖仿生机械蟹融合水下滑翔系统的设计思路,对机械蟹水下滑翔机理实现进行了介绍,设计了水下滑翔系统方案。对比不同的浮力调节方式,制定了浮力调节系统的详细设计方案和布置方案,并根据浮力调节方案进行simulink模型仿真得到系统参数,验证系统的稳定性,为后续研究和实验提供参考。提出并讨论了步行足同时作为重心调节机构和滑翔翼的可行性,分析得到机械蟹俯仰角与步行足旋转角之间的关系。通过对机械蟹水下稳定滑翔运动分析,得到状态参数（攻角、俯仰角、滑翔速度、水平速度）与可控量（步行足调节的重心偏移量、净浮力质量）之间的关系。基于机械蟹样机模型,分析了游泳足的摆动规律,应用CFD数值分析软件对机械蟹游动进行了流体仿真,得到机械蟹游泳足在1Hz摆动频率下的流场变化情况,采用切片法将流场分割,结合游泳足摆动周期内的涡量云图,分析了不同时刻尾涡结构对水动力特性的产生机理,从流体力学角度分析了机械蟹推进力产生的主要原因,并获得推进力和侧向力之间的关系。仿真结果表明,机械蟹在水中游动呈直线前进,可以得到持续向前的作用力,符合预期分析的结果。最后在上述研究的基础上制作了两栖仿生机械蟹样机,搭建了实验平台,对样机结构、浮力调节舱密封性、浮力调节系统工作、陆地横移纵行运动、水中游动和水陆状态切换等方面进行了实验,验证了理论和仿真分析的正确性,并结合技术指标验证两栖仿生机械蟹的样机性能,为后续研究奠定基础。

关键词：两栖仿生机械蟹;总体结构设计;水下滑翔系统;游动仿真;性能实验

学科专业：机械工程（专业学位）

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源与研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 两栖仿生机器人研究综述

1.2.2 两栖仿生机器人国外研究概况

1.2.3 两栖仿生机器人国内研究概况

1.2.4 水下滑翔机的研究概况

1.3 两栖仿生机械蟹的关键技术问题

1.4 论文研究内容及章节安排

第2章 两栖仿生机械蟹总体方案设计

2.1 海蟹生理结构观测

2.2 两栖仿生机械蟹的系统组成

2.3 两栖仿生机械蟹的设计思路

2.4 两栖仿生机械蟹结构设计

2.4.1 步行足设计

2.4.2 游泳足设计

2.4.3 防水电子盒设计

2.4.4 浮力调节耐压舱设计

2.4.5 能源模块设计

2.4.6 机体设计

2.5 两栖仿生机械蟹水下密封方案

2.6 整机自由度和稳定性分析

2.7 两栖仿生机械蟹重量和浮力计算

2.8 两栖仿生机械蟹模型及样机

2.9 本章小结

第3章 两栖仿生机械蟹水下滑翔系统设计

3.1 两栖仿生机械蟹水下滑翔机理

3.2 浮力调节系统设计

3.2.1 浮力调节系统方案对比分析

3.2.2 浮力调节系统方案确定

3.2.3 浮力调节系统零部件的选型

3.2.4 浮力调节系统布置

3.2.5 浮力调节系统仿真

3.3 重心调节系统研究

3.3.1 重心调节方案确定

3.3.2 重心调节方案可行性分析

3.3.3 步行足重心调节分析

3.4 稳定滑翔运动分析

3.5 本章小结

第4章 两栖仿生机械蟹游动性能及仿真分析

4.1 游泳足游动分析

4.2 CFD计算过程介绍及准备

4.2.1 仿真假设

4.2.2 模型建立与网格划分

4.2.3 边界条件设置

4.2.4 求解控制参数设置

4.3 两栖仿生机械蟹游动流场分析

4.4 两栖仿生机械蟹仿真数值分析

4.4.1 水动力系数

4.4.2 推进力与侧向力曲线

4.4.3 推进力与侧向力之间的关系

4.5 本章小结

第5章 两栖仿生机械蟹样机实验

5.1 样机实验平台搭建

5.2 浮力调节耐压舱水密性实验

5.3 陆地直线行走实验

5.4 浮力调节系统实验

5.5 水中实验

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

指导教师对研究生学位论文的学术评语

学位论文答辩委员会决议书

致谢