內容大鋼
魚類以其快速、高效和高機動性的運動方式吸引了國內外研究者的關注，對其運動機理進行研究可為水下仿生航行器的設計及工程應用提供理論基礎。結合作者及所在課題組近年來的研究進展，本書詳細論述了水下仿生推進機理的動力學特性與數值模擬研究情況。首先分析了魚類波動推進的復模態特徵，然後通過建立魚遊動力學模型，研究魚類的變剛度和復模態動力學特性，最後基於LS-IB數值方法，構建魚游的CFD模擬模型，從水動力學的角度探究魚類仿生推進機理。
本書面向普通高等院校仿生機械、機械電子工程、流體力學、電腦和自動化工程等專業高年級本科生、研究生和教師，內容全面系統、新穎實用，可作為從事水下仿生機器魚研究人員的科研與教學參考書，亦可作為從事水下機器人研究、設計與應用工程人員的參考書。
作者介紹
崔祚|責編:佟麗霞//趙從棉
崔祚，1988年出生，中國人民解放軍國防科技大學博士后，博士畢業於哈爾濱工業大學，主要研究方向包括仿生機器人、計算流體力學和水下發射技術等，現主持國家自然科學基金項目2項，作為技術負責人參與軍委科技委特區項目、軍委科技委基礎加強項目以及其他省部級科研項目10余項，發表SCI論文20余篇，發明專利10余項。擔任Scientific Reports, Journal of Bionic Engineering, Mechanism and Machine Theory, IEEE Robotics and Automation Letters, Journal of Mechanical Science and Technology, Advances in Mechanical Engineering, Biology Open等國際期刊，《機械工程學報》《空氣動力學學報》《水下無人系統學報》等國內期刊審稿人。
目錄
第1章 緒論
1.1 研究背景
1.2 魚類仿生學的研究內容
1.3 複合波動推進魚類概述
1.3.1 魚類推進模式分析
1.3.2 魚類遊動性能評價
1.4 仿生機器魚研究現狀
1.4.1 剛性結構仿生機器魚
1.4.2 柔性結構仿生機器魚
1.4.3 剛柔耦合結構機器魚
1.5 水下仿生機理研究現狀
1.5.1 魚游水動力學理論研究
1.5.2 魚游實驗研究
1.5.3 魚游數值模擬研究
1.5.4 魚體變剛度特性研究
1.6 水下仿生技術難點
1.7 本書主要內容
參考文獻
第2章 波動推進魚類運動的復模態特徵
2.1 引言
2.2 波動推進魚類運動學分析
2.2.1 複合波動運動的描述
2.2.2 複合波動運動無量綱化
2.2.3 魚類複合波動運動的討論
2.3 波動運動對推進性能的影響
2.3.1 遊動速度分析
2.3.2 遊動效率分析
2.4 魚類複合波動曲線復模態分析
2.4.1 復模態分解方法
2.4.2 樂錦?魚波動曲線的復模態分析
2.4.3 虹鱒魚波動曲線的復模態分析
2.5 魚類復模態特徵的影響因素
2.5.1 離散間隔數的影響
2.5.2 波動曲線波數的影響
2.5.3 包絡線參數的影響
2.5.4 魚體長徑比的影響
2.6 波動推進運動的復模態特徵
2.6.1 魚類遊動復模態分析
2.6.2 行波係數與波長的關係
2.6.3 行波係數與包絡線的關係
2.6.4 魚類波動推進模式新分類——行波係數法
2.7 本章小結
參考文獻
第3章 波動推進魚類動力學建模
3.1 引言
3.2 魚類波動運動的離散化
3.2.1 波動運動的離散基礎
3.2.2 魚類運動的離散模型
3.2.3 魚類離散模型參數優化
3.3 魚類遊動動力學模型
3.3.1 遊動魚體建模分析
3.3.2 魚體受力分析
3.3.3 魚體運動求解——振型疊加法
3.3.4 魚體運動求解——常微分方法
3.4 魚體遊動動力學特性分析
3.4.1 魚體模型參數
3.4.2 魚體波特性分析
3.4.3 激勵特性對遊動性能的影響
3.5 本章小結
參考文獻
第4章 魚類推進變剛度動力學特性
4.1 引言
4.2 魚類冗余串並聯生理結構
4.2.1 魚類的骨骼結構
4.2.2 魚類的肌肉性能
4.2.3 魚類骨骼、肌肉的串並聯結構
4.2.4 魚體變剛度結構
4.3 冗余串並聯魚體結構模型
4.3.1 魚體模型尺寸
4.3.2 魚體模型質量與轉動慣量
4.4 冗余串並聯魚體剛度設計
4.4.1 剛度設計方法
4.4.2 串並聯結構變剛度分析
4.4.3 冗余串並聯結構魚體變剛度設計
4.5 基於SimMechanics的魚游模擬分析
4.5.1 魚游模擬模型
4.5.2 模擬模型參數設置
4.5.3 魚體包絡線的擬合
4.5.4 變剛度魚體的遊動性能
4.6 魚類變剛度特性實驗研究
4.6.1 實驗方案
4.6.2 結構設計與製造
4.6.3 實驗結果分析
4.7 本章小結
參考文獻
第5章 魚類推進復模態動力學特性
5.1 引言
5.2 基於黏彈性梁的魚游模型
5.3 柔性魚類復模態特性分析
5.3.1 魚體自由振動特性分析
5.3.2 魚體強迫振動特性分析
5.3.3 魚體波動曲線復模態的產生原因
5.4 機械阻抗對魚類擺動曲線的影響
5.4.1 魚體阻尼對擺動曲線的影響
5.4.2 魚體剛度對擺動曲線的影響
5.5 魚體復模態特性實驗研究
5.6 本章小結
參考文獻
第6章 模擬魚類遊動的數值方法
6.1 引言
6.2 流固耦合數值方法概述
6.2.1 流固耦合分析
6.2.2 浸入邊界法分類
6.3 不可壓Navier-Stokes方程求解
6.3.1 控制方程
6.3.2 亞格子應力模型
6.3.3 空間離散
6.3.4 時間離散
6.3.5 壓力方程
6.3.6 邊界條件
6.3.7 MPI並行計算
6.4 浸入邊界描述方法
6.4.1 拉格朗日界面描述方法
6.4.2 Level-set界面描述方法
6.5 基於邊界重構的LS-IB數值方法
6.5.1 LS-IB數值方法
6.5.2 浸入物體升阻力的計算
6.6 數值方法算例驗證
6.6.1 靜止圓柱繞流
6.6.2 靜止圓球繞流
6.6.3 強迫振動圓柱繞流
6.6.4 圓柱渦激振動
6.6.5 圓球的自由下落
6.7 LS-IB數值方法的討論
6.7.1 網格數的影響
6.7.2 重複初始化次數的影響
6.8 本章小結
參考文獻
第7章 魚類遊動數值模擬研究
7.1 引言
7.2 魚類遊動CFD模型
7.2.1 約束遊動魚體模型
7.2.2 自由遊動魚體模型
7.3 約束魚游模型的數值模擬
7.3.1 擺動頻率對遊動性能的影響
7.3.2 擺動幅值對遊動性能的影響
7.3.3 行波係數對遊動性能的影響
7.4 魚類尾跡渦街結構分析
7.4.1 二維魚體的尾跡渦街結構
7.4.2 三維魚體的尾跡渦街結構
7.5 ?科魚類自主遊動性能分析
7.5.1 流體雷諾數對遊動性能的影響
7.5.2 擺動幅值對遊動性能的影響
7.5.3 行波係數對遊動性能的影響
7.6 鰻鱺科魚類自主遊動性能分析
7.7 魚體外形與擺動曲線匹配分析
7.7.1 擺動曲線對遊動性能的影響
7.7.2 魚類外形對遊動性能的影響
7.8 本章小結
參考文獻
附錄 魚類波動曲線生物學數據
參考文獻
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