提高动力特性的柔性蹼翼结构

本发明涉及水下机器人领域，具体涉及水下机器人（波浪滑翔机）柔性蹼翼推进技术。

背景技术：

1、传统水下机器人多采用螺旋桨推进，存在效率低、能耗高、噪声大等问题。在海洋探索和监测领域，柔性蹼翼作为波浪滑翔机的关键部件，柔性蹼翼的设计和材料选择对其在水中的动力性能有着直接影响，特别是在面对复杂多变的海洋环境时，如何通过优化蹼翼的形态、材料和控制策略来提升其动力转换效率，成为研究的重点。提高柔性蹼翼的动力特性，对于增强波浪滑翔机的海洋观测能力、延长其作业周期、降低维护成本具有显著意义，对于推动海洋科技的发展和海洋资源的有效利用具有深远影响。

2、本发明的研究对象，是波浪滑翔机（波浪滑翔机属于水下机器人）用柔性蹼翼。波浪滑翔机能够在没有外部能源供应的条件下在海洋中长期执行任务，在海洋科学、海水工程甚至军事领域得到了广泛的应用，可以搭载各种科学仪器和传感器进行海洋环境观测、数据收集和传输，能够实现大范围、远距离的海面气象参数观测、海表水动力环境参数监测和水下目标探测，并可作为水上通信节点，在渔业生产、海上钻井、远洋货运、大洋调查以及海洋军事等等方面也均有应用，当然也能够执行个性化设定的其他任务。

3、与传统的波浪滑翔机不同的是，传统的波浪滑翔机将波浪能转化成驱动力的实质是将波浪能作用于浮体的升沉运动转化成了向前的驱动力。蹼翼型波浪滑翔机在将升沉运动转化成驱动力的基础上，还能将浮体的横倾、纵倾等由于波浪带给浮体的不稳定的运动平等地转化成向前的驱动力。

4、提高柔性蹼翼的动力特性，能够提高波浪滑翔机的能量转换效率，增加波浪滑翔机的航程和速度；还能够增强波浪滑翔机的机动性和操控性，增强波浪滑翔机的环境适应性。为提高波浪滑翔机的性能，有必要对柔性蹼翼进行改进。

5、柔性蹼翼的基本结构是：包括本体，将本体的截面呈现的等腰梯形称为截面梯形，截面梯形的底边长于截面梯形的顶边。本发明中，将截面梯形的两侧边的夹角称为锥角。

6、对柔性蹼翼进行优化改进时，各参数的可选择的数值空间几乎是无限的，各参数的组合体的数值选择空间则更大。传统研究中，制作出具有不同参数组合的实体柔性蹼翼进行实际测试，来探寻最佳参数组合的方法是行不通的，财务成本和时间成本都是无法承受的。如要进行仿真模拟，则需要确定合适的基础模型，还需要建立柔性蹼翼本身的几何模型以及柔性蹼翼的运动模型，确定仿真模拟的各种细节问题。现有技术中没有合适的柔性蹼翼的运动模型，也没有解决仿真模拟柔性蹼翼的动力学特性的各种细节问题，无法展开仿真模拟。因而，现有技术中，难以有效进行柔性蹼翼的优化参数设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提高动力特性的柔性蹼翼结构，通过结构及表面硬度等特性的优化，提高柔性蹼翼的动力特性，进而优化提高波浪滑翔机的性能。

2、为实现上述目的，本发明的提高动力特性的柔性蹼翼结构包括本体，将本体的截面呈现的等腰梯形称为截面梯形，截面梯形的底边长于截面梯形的顶边；将截面梯形的两侧边的夹角称为锥角，将截面梯形的高称为柔性蹼翼的高，其特征在于：

3、本体的表面硬度为60hb，锥角为4.7°－5.2°，顶边为2毫米，底边为5毫米，柔性蹼翼的高为110毫米。

4、本体的材料采用sbr橡胶。

5、锥角为4.7°。

6、本发明具有如下的优点：

7、本发明确定了柔性蹼翼的动力学特性的优化对象参数为材料、表面硬度、锥角、顶边长度和底边长度，在采用mooney-rivlin 模型的基础上，建立了柔性蹼翼本身的几何模型，建立了柔性蹼翼流固耦合 2.5d 模型，得以利用ansys workbench仿真平台针对柔性蹼翼的动力特性展开数值模拟，最终得到各优化对象参数的最优结果，按本发明的最优结果制备的柔性蹼翼，能够提高波浪滑翔机的能量转换效率，增加波浪滑翔机的航程和速度；还能够增强波浪滑翔机的机动性和操控性，增强波浪滑翔机的环境适应性，提高波浪滑翔机的综合性能，显著提升了波浪滑翔机柔性蹼翼的性能和应用范围，为海洋科技的发展和海洋资源的有效利用提供了强有力的技术支持，具有良好的推广应用价值。

8、本发明的研发结果离不开柔性蹼翼流固耦合 2.5d 模型，研发过程也包含了下述优点：

9、1、仿真精度与效率的双重提升：本发明通过数值仿真与优化方法，有效模拟了柔性蹼翼在大变形下的流固耦合动力性能。且仿真过程详细考虑了波浪的周期性变化、流速的不均匀性以及水下压力的动态变化，确保模拟结果能够全面反映实际海洋环境中的复杂情况。本发明成功地将仿真技术引入到柔性蹼翼的研发之中，显著提高了水下机器人柔性蹼翼的推进效率和稳定性，同时，优化算法的使用也极大提升了设计过程的效率。

10、2、多参数优化设计：本发明的优化分析方法对柔性蹼翼的材料参数和几何尺寸进行了细致的优化，同时考虑了推进效率、结构强度、耐久性等多个性能指标，确保水下机器人在提高推进效率的同时，也具有良好的结构稳定性和耐久性。这种多参数的优化设计，使得水下机器人能够更好地适应多变的海洋环境。

11、3、耐久性与可靠性的显著增强：本发明对优化后制备的柔性蹼翼进行了长期性能测试，包括疲劳测试、老化测试和环境适应性测试。这些测试模拟了柔性蹼翼在长期运行中可能遇到的各种情况，评估了其在实际海洋环境中的耐久性和可靠性，为水下机器人柔性蹼翼的设计提供了重要的参考依据，显著增强了其在恶劣海洋环境中的生存能力和稳定性。

12、4、环境适应性的全面提升：本发明显著提高了水下机器人柔性蹼翼的环境适应性。仿真过程中考虑的不同海况条件，以及优化分析中对材料和尺寸的细致考量，使得水下机器人能够在各种海洋环境中保持高效稳定地运行，并扩大了其应用范围，使其能够更好地服务于海洋观测、资源勘探、生态研究和气候观测等关键领域。

13、5、推动海洋科技的创新与发展：本发明的实施以及优化方式提升了水下机器人柔性蹼翼的性能，还增强了其在复杂海洋环境中的适应性和可靠性，为海洋科技的发展提供了新的动力。通过精确模拟和优化设计，本发明为实现长时间、低能耗、大范围、多领域、快通讯、低成本的海洋观测设备提供了可能，这对于海洋资源的开发和利用、海洋环境的监测和保护，以及相关政策的制定都具有重要的战略意义。

1.提高动力特性的柔性蹼翼结构，包括本体，将本体的截面呈现的等腰梯形称为截面梯形，截面梯形的底边长于截面梯形的顶边；将截面梯形的两侧边的夹角称为锥角，将截面梯形的高称为柔性蹼翼的高，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的提高动力特性的柔性蹼翼结构，其特征在于：本体的材料采用sbr橡胶。

3.根据权利要求1所述的提高动力特性的柔性蹼翼结构，其特征在于：锥角为4.7°。