本發(fā)明涉及水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及水下機(jī)器人（波浪滑翔機(jī)）柔性蹼翼推進(jìn)技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)水下機(jī)器人多采用螺旋槳推進(jìn)，存在效率低、能耗高、噪聲大等問(wèn)題。在海洋探索和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，柔性蹼翼作為波浪滑翔機(jī)的關(guān)鍵部件，柔性蹼翼的設(shè)計(jì)和材料選擇對(duì)其在水中的動(dòng)力性能有著直接影響，特別是在面對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境時(shí)，如何通過(guò)優(yōu)化蹼翼的形態(tài)、材料和控制策略來(lái)提升其動(dòng)力轉(zhuǎn)換效率，成為研究的重點(diǎn)。提高柔性蹼翼的動(dòng)力特性，對(duì)于增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的海洋觀測(cè)能力、延長(zhǎng)其作業(yè)周期、降低維護(hù)成本具有顯著意義，對(duì)于推動(dòng)海洋科技的發(fā)展和海洋資源的有效利用具有深遠(yuǎn)影響。

2、本發(fā)明的研究對(duì)象，是波浪滑翔機(jī)（波浪滑翔機(jī)屬于水下機(jī)器人）用柔性蹼翼。波浪滑翔機(jī)能夠在沒(méi)有外部能源供應(yīng)的條件下在海洋中長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)，在海洋科學(xué)、海水工程甚至軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，可以搭載各種科學(xué)儀器和傳感器進(jìn)行海洋環(huán)境觀測(cè)、數(shù)據(jù)收集和傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的海面氣象參數(shù)觀測(cè)、海表水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)和水下目標(biāo)探測(cè)，并可作為水上通信節(jié)點(diǎn)，在漁業(yè)生產(chǎn)、海上鉆井、遠(yuǎn)洋貨運(yùn)、大洋調(diào)查以及海洋軍事等等方面也均有應(yīng)用，當(dāng)然也能夠執(zhí)行個(gè)性化設(shè)定的其他任務(wù)。

3、與傳統(tǒng)的波浪滑翔機(jī)不同的是，傳統(tǒng)的波浪滑翔機(jī)將波浪能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)力的實(shí)質(zhì)是將波浪能作用于浮體的升沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成了向前的驅(qū)動(dòng)力。蹼翼型波浪滑翔機(jī)在將升沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)力的基礎(chǔ)上，還能將浮體的橫傾、縱傾等由于波浪帶給浮體的不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)平等地轉(zhuǎn)化成向前的驅(qū)動(dòng)力。

4、提高柔性蹼翼的動(dòng)力特性，能夠提高波浪滑翔機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，增加波浪滑翔機(jī)的航程和速度；還能夠增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的機(jī)動(dòng)性和操控性，增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。為提高波浪滑翔機(jī)的性能，有必要對(duì)柔性蹼翼進(jìn)行改進(jìn)。

5、柔性蹼翼的基本結(jié)構(gòu)是：包括本體，將本體的截面呈現(xiàn)的等腰梯形稱為截面梯形，截面梯形的底邊長(zhǎng)于截面梯形的頂邊。本發(fā)明中，將截面梯形的兩側(cè)邊的夾角稱為錐角。

6、對(duì)柔性蹼翼進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，各參數(shù)的可選擇的數(shù)值空間幾乎是無(wú)限的，各參數(shù)的組合體的數(shù)值選擇空間則更大。傳統(tǒng)研究中，制作出具有不同參數(shù)組合的實(shí)體柔性蹼翼進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，來(lái)探尋最佳參數(shù)組合的方法是行不通的，財(cái)務(wù)成本和時(shí)間成本都是無(wú)法承受的。如要進(jìn)行仿真模擬，則需要確定合適的基礎(chǔ)模型，還需要建立柔性蹼翼本身的幾何模型以及柔性蹼翼的運(yùn)動(dòng)模型，確定仿真模擬的各種細(xì)節(jié)問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有合適的柔性蹼翼的運(yùn)動(dòng)模型，也沒(méi)有解決仿真模擬柔性蹼翼的動(dòng)力學(xué)特性的各種細(xì)節(jié)問(wèn)題，無(wú)法展開(kāi)仿真模擬。因而，現(xiàn)有技術(shù)中，難以有效進(jìn)行柔性蹼翼的優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)及表面硬度等特性的優(yōu)化，提高柔性蹼翼的動(dòng)力特性，進(jìn)而優(yōu)化提高波浪滑翔機(jī)的性能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)包括本體，將本體的截面呈現(xiàn)的等腰梯形稱為截面梯形，截面梯形的底邊長(zhǎng)于截面梯形的頂邊；將截面梯形的兩側(cè)邊的夾角稱為錐角，將截面梯形的高稱為柔性蹼翼的高，其特征在于：

3、本體的表面硬度為60hb，錐角為4.7°－5.2°，頂邊為2毫米，底邊為5毫米，柔性蹼翼的高為110毫米。

4、本體的材料采用sbr橡膠。

5、錐角為4.7°。

6、本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

7、本發(fā)明確定了柔性蹼翼的動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化對(duì)象參數(shù)為材料、表面硬度、錐角、頂邊長(zhǎng)度和底邊長(zhǎng)度，在采用mooney-rivlin?模型的基礎(chǔ)上，建立了柔性蹼翼本身的幾何模型，建立了柔性蹼翼流固耦合?2.5d?模型，得以利用ansys?workbench仿真平臺(tái)針對(duì)柔性蹼翼的動(dòng)力特性展開(kāi)數(shù)值模擬，最終得到各優(yōu)化對(duì)象參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果，按本發(fā)明的最優(yōu)結(jié)果制備的柔性蹼翼，能夠提高波浪滑翔機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，增加波浪滑翔機(jī)的航程和速度；還能夠增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的機(jī)動(dòng)性和操控性，增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，提高波浪滑翔機(jī)的綜合性能，顯著提升了波浪滑翔機(jī)柔性蹼翼的性能和應(yīng)用范圍，為海洋科技的發(fā)展和海洋資源的有效利用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

8、本發(fā)明的研發(fā)結(jié)果離不開(kāi)柔性蹼翼流固耦合?2.5d?模型，研發(fā)過(guò)程也包含了下述優(yōu)點(diǎn)：

9、1、仿真精度與效率的雙重提升：本發(fā)明通過(guò)數(shù)值仿真與優(yōu)化方法，有效模擬了柔性蹼翼在大變形下的流固耦合動(dòng)力性能。且仿真過(guò)程詳細(xì)考慮了波浪的周期性變化、流速的不均勻性以及水下壓力的動(dòng)態(tài)變化，確保模擬結(jié)果能夠全面反映實(shí)際海洋環(huán)境中的復(fù)雜情況。本發(fā)明成功地將仿真技術(shù)引入到柔性蹼翼的研發(fā)之中，顯著提高了水下機(jī)器人柔性蹼翼的推進(jìn)效率和穩(wěn)定性，同時(shí)，優(yōu)化算法的使用也極大提升了設(shè)計(jì)過(guò)程的效率。

10、2、多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：本發(fā)明的優(yōu)化分析方法對(duì)柔性蹼翼的材料參數(shù)和幾何尺寸進(jìn)行了細(xì)致的優(yōu)化，同時(shí)考慮了推進(jìn)效率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性等多個(gè)性能指標(biāo)，確保水下機(jī)器人在提高推進(jìn)效率的同時(shí)，也具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。這種多參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得水下機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)多變的海洋環(huán)境。

11、3、耐久性與可靠性的顯著增強(qiáng)：本發(fā)明對(duì)優(yōu)化后制備的柔性蹼翼進(jìn)行了長(zhǎng)期性能測(cè)試，包括疲勞測(cè)試、老化測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。這些測(cè)試模擬了柔性蹼翼在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能遇到的各種情況，評(píng)估了其在實(shí)際海洋環(huán)境中的耐久性和可靠性，為水下機(jī)器人柔性蹼翼的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)，顯著增強(qiáng)了其在惡劣海洋環(huán)境中的生存能力和穩(wěn)定性。

12、4、環(huán)境適應(yīng)性的全面提升：本發(fā)明顯著提高了水下機(jī)器人柔性蹼翼的環(huán)境適應(yīng)性。仿真過(guò)程中考慮的不同海況條件，以及優(yōu)化分析中對(duì)材料和尺寸的細(xì)致考量，使得水下機(jī)器人能夠在各種海洋環(huán)境中保持高效穩(wěn)定地運(yùn)行，并擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，使其能夠更好地服務(wù)于海洋觀測(cè)、資源勘探、生態(tài)研究和氣候觀測(cè)等關(guān)鍵領(lǐng)域。

13、5、推動(dòng)海洋科技的創(chuàng)新與發(fā)展：本發(fā)明的實(shí)施以及優(yōu)化方式提升了水下機(jī)器人柔性蹼翼的性能，還增強(qiáng)了其在復(fù)雜海洋環(huán)境中的適應(yīng)性和可靠性，為海洋科技的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。通過(guò)精確模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、低能耗、大范圍、多領(lǐng)域、快通訊、低成本的海洋觀測(cè)設(shè)備提供了可能，這對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用、海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，以及相關(guān)政策的制定都具有重要的戰(zhàn)略意義。

技術(shù)特征：

1.提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)，包括本體，將本體的截面呈現(xiàn)的等腰梯形稱為截面梯形，截面梯形的底邊長(zhǎng)于截面梯形的頂邊；將截面梯形的兩側(cè)邊的夾角稱為錐角，將截面梯形的高稱為柔性蹼翼的高，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)，其特征在于：本體的材料采用sbr橡膠。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)，其特征在于：錐角為4.7°。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高動(dòng)力特性的柔性蹼翼結(jié)構(gòu)，包括本體，將本體的截面呈現(xiàn)的等腰梯形稱為截面梯形，截面梯形的底邊長(zhǎng)于截面梯形的頂邊；將截面梯形的兩側(cè)邊的夾角稱為錐角，將截面梯形的高稱為柔性蹼翼的高，本體的表面硬度為60HB，錐角為4.7°－5.2°，頂邊為2毫米，底邊為5毫米，柔性蹼翼的高為110毫米。本體的材料采用SBR橡膠。本發(fā)明確定了柔性蹼翼的動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化對(duì)象參數(shù)，建立了柔性蹼翼本身的幾何模型和柔性蹼翼流固耦合2.5D模型，得以利用ANSYS?Workbench仿真平臺(tái)針對(duì)柔性蹼翼的動(dòng)力特性展開(kāi)數(shù)值模擬，最終得到各優(yōu)化對(duì)象參數(shù)的相對(duì)最優(yōu)結(jié)果，按本發(fā)明制備的柔性蹼翼能夠提高波浪滑翔機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，增加波浪滑翔機(jī)的航程和速度；還能夠增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的機(jī)動(dòng)性和操控性，增強(qiáng)波浪滑翔機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，提高波浪滑翔機(jī)的綜合性能，顯著提升波浪滑翔機(jī)柔性蹼翼的性能和應(yīng)用范圍，為海洋科技的發(fā)展和海洋資源的有效利用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：田寶強(qiáng),張智奧,張志強(qiáng),秦運(yùn)田,宋云波,陳質(zhì)二,李玲瓏,齊占峰,李文娟,劉剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華北水利水電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10