基于介电弹性体驱动的仿生鱼动力学建模

【作者】 李芳贵； 黎亮； 章定国； 郭晛； 郭永彬；

【机构】 南京理工大学理学院；

【摘要】 仿生鱼由于具有低噪声、高灵活性和高隐蔽性等优点,能够进行海底生物考察、海底资源勘探、军事侦查等工作,具有广阔的发展前景和发展潜力。传统的仿生鱼采用电机驱动,存在噪音大、推进效率不高、动作僵硬等问题,而以智能材料驱动的仿生鱼不断出现,其中以介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)材料为代表,它是一种在电场作用下会产生显著变形的智能软材料,具有应变大、能量密度高、响应速度快、质量轻等特点,可以实现仿生鱼全软体,适用于小型仿生鱼的驱动。介电弹性体材料整体变形大,准确描述其变形较为困难。绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation, ANCF)通过斜率矢量避免了描述柔性体复杂的转角问题,在描述大变形大位移问题上具有较大优势,得到了广泛应用。本文以DE驱动的身体/尾鳍(Body/Caudal Fin, BCF)推进式柔性仿生鱼为研究对象,将鱼体简化为悬臂层合梁结构,基于ANCF法,采用全参数三维梁单元进行建模,考虑驱动梁和从动梁单元之间接触界面的变形协调条件,建立了柔性层合梁耦合模型。引入DE本构模型和Neo-Hookean超弹性本构模型,通过罚函数法来保证材料的不可压缩性,以非线性连续介质力学为基础推导了单元广义刚度阵,质量阵以及外力矩阵,建立了柔性层合梁的动力学模型,并使用广义-α方法实现动力学方程的求解。得到的动力学方程可以精确地描述柔性梁的几何大变形问题,使用Abaqus商业软件进行建模,与理论计算结果进行对比,验证了结果的正确性。本文计算了介电弹性体梁式鱼体在正弦交变电压驱动和流体阻力作用下的力学响应,比较了末端节点的位移变化,准确描述了介电弹性体柔性仿生鱼在多物理场条件下的变形,实现了鱼体的大摆幅游动数值仿真。本文的工作对于仿生机器鱼的设计和优化具有理论指导意义。更多还原