仿生鱿鱼流体形态建模与数值模拟

随着人工智能与科技手段的逐步发展与提升,鱼类形态特征的研究与鱼类游动减阻机制对于仿生机器鱼设计与复杂游动行为至关重要。本文以茎柔鱼为研究对象,通过对茎柔鱼样本进行视觉图像采集,利用计算机视觉技术提取生物样本形态特征,根据生物特征长度建立生物形态外轮廓方程与三维简化模型,采用数值模拟与四面体非结构网格的方法,计算分析仿生鱿鱼在高速游动过程中的流场特性。分析表明：基于轮廓方程的仿生鱿鱼简化模型在高速游动时具有较低的游行阻力,速度达13.89m/s且俯仰角度在±30°内,其阻力系数在0.0004~0.0011之间,揭示了生物游动时其形态在减阻机制中的重要性;鱿鱼在高速游动时该种姿态为其完成俯仰、转向等奠定了流体形态基础。因此基于生物形态的外轮廓特征与计算流体力学方法为仿生鱿鱼进一步的设计与研究提供了参考依据。     

梯形振荡水翼水动力学特性的三维数值模拟研究

振荡水翼式潮流能采集系统一般通过二维水翼水动力学模型建立其关于俯仰与升沉方向两自由度的运动方程。但水翼三维模型与二维模型在诱导阻力计算上有着一定的差别,而诱导阻力又直接影响到系统的能量转化效率,因此有必要对振荡水翼三维的水动力学特性进行研究。本文根据叶素理论,以梯形翼作为三维水翼模型的代表,建立了梯形振荡翼的水动力学模型和运动方程。对该模型采用三维非结构网格和动网格技术进行数值模拟,着重探讨梯形比对其运动状态和能量转化效率的影响。结果表明:采用动网格模拟三维梯形振荡水翼的水动力学特性,得到的水翼运动状态与二维的相同;振荡水翼的诱导阻力会改变其稳定振荡频率和升沉运动幅值,直接影响了系统的能量采集效率;随着梯形比的降低,系统的能量转化效率先上升后降低,在梯形比为0.5时最大。本文的研究成果将有助于完善振荡水翼的结构设计方法。     

鲤鱼三维建模及流场受力数值计算

将鱼体和鱼鳍整体作为研究对象进行流场中受力分析对于研究鱼类本身高游动效率机理和仿生应用具有重要意义。以鲤鱼为研究对象,通过对鱼体的形体模型数学化,将特征数据导入FLUENT三维软件,结合鲤鱼的运动与形体特征进行建模,并将其模型置于来流方向平行于鱼体的流场中进行力学有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用标准两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。通过计算发现X方向上所受阻力贡献度排名前三分别为鱼头部分的45%、鱼主体部分的29%以及鱼胸鳍部分的14%;鱼体部分在Y方向上所受升力贡献度排名前三分别为鱼胸鳍部分的47%、鱼主体部分的29%以及头部的14%;总合力为（-7.88×10-3, 2.00×10-3,-5.87×10-5）N。计算结果表明在设计中考虑升力时应主要着重于鱼的前鳍以及鱼体部分的设计,考虑运行阻力时应着重于鱼头以及鱼体部分的设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较好的指导价值。     

鱼类尾鳍推进机理及游泳能力影响参数分析

鱼类以其高效灵活的游泳能力成为生物学家与仿生学研究者长期以来的重要研究对象。本文选取以尾鳍推进游泳方式的鱼类为研究对象,构建仿生鱼几何模型与运动控制模型,利用计算流体力学方法（CFD）结合动网格技术,对其游泳行为进行数值模拟,研究分析其尾鳍摆动的推进机理,并在此基础上通过改变尾拍频率、摆动幅值、鱼体体波波长及鱼体体型等参数,结合鱼类的突进运动、游泳方式及体型进化等生物学特性探究不同参数对鱼类游泳能力的影响规律。研究结果表明：鱼类尾鳍摆动时尾部流场中形成的反卡门涡街是推进力的主要成因;尾拍频率和摆动幅值的增加,可使鱼类在短时间内获得较高的突进速度;当λ=0.75L,a(x)max=0.1,为获得1L/s的游泳速度,尾拍频率需达到2Hz左右;鱼体摆动时体波波长（λ）的改变将引起游泳方式的变化,当λ达到0.75L左右,鱼体可以0.5L/s的速度向前游动,且推进力随体波波长增加逐渐增大;细长体型鱼类相比头大身小体型鱼类游动时产生的压差阻力小,因此在相同的尾鳍推进模式下能够获得更大的推力。本文的研究结果可以为仿生鱼水下航行器的快速性优化设计提供一定的参考。     

仿生鱿鱼俯仰姿态下水动力学数值模拟

鱿鱼作为海洋高等软体动物,其软体特征与腕部特点为其机动性奠定了基础。为研究仿生鱿鱼软体触腕在不同俯仰角度下的弯曲特性,选择茎柔鱼(Dosidicus gigas)为仿生对象,建立仿生鱿鱼不同俯仰角度下的简化三维模型,并根据不同俯仰角度假设触腕不同弯曲特性。根据三维简化模型,采用数值模拟方法,分析比较仿生鱿鱼在不同俯仰姿态下与触腕弯曲下的水动力特性。研究认为:仿生鱿鱼采用软体触腕协调游动时,为其俯仰姿态的完成提供了有利的转矩,俯仰角最大为45°时其力矩系数达到-0.001 7,更有利于其高速游动时俯仰姿态的调整与游动方向的改变;仿生鱿鱼在完成俯仰姿态时可以通过改变腕部的弯曲程度,更及时高效地调整姿态与改变游动方向,且所需能耗较小。研究结果对仿生鱿鱼软体触腕的控制提供了依据与参考,同时为研究其高机动性游动行为与材料的选取奠定了基础。     

木质部输导阻力对苹果树体矮化的影响

对A.B.Beakbane早期研究的资料通径分析可以看出,苹果矮化砧木质部中导管所占的比例与矮化效应呈显著负相关,根据泊肃叶定律证明了木质部输导阻力与矮化效应呈正相关,分析古润泽红星苹果嫁接在不同砧木上叶片矿质元素的含量的资料发现,矮化砧并不是因为木质部输导阻力阻碍了矿质营养的运输,而是木质部输导阻力引起细胞水分供应的亏缺,导致木质部质外体压力差下降和细胞压力势上升,从而促使了ABA合成和IAA氧化酶的活性提高,使IAA水平降低而抑制了细胞的分裂与伸长,最终树体的矮化效应得到表达。     

仿生蝗虫口器破茬装置设计

针对中国东北地区春季免耕播种作业存在玉米根茬破除效率低、切割作业扭矩大和功耗高等技术难题,该文以蝗虫口器结构(多段阶梯锯齿状)和运动方式(双上颚异向等速咬合)为仿生原型,设计一种可实现高效破茬作业的耦合仿生破茬装置。该文通过仿生构建、机构设计、理论分析、参数优化、Arduino系统和智能控制等方法设计了行星齿轮变速机构和智能速度控制系统等关键部件,其中仿生破茬刀片可还原蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构,行星齿轮变速机构和智能速度控制系统组成仿生驱动系统,可模拟出双上颚异向等速咬合运动方式,从而实现了运动方式与形态结构的耦合仿生。对比试验分析表明,仿蝗虫口器破茬装置可降低切割作业扭矩26.6%-31.6%,降低作业功耗21.9%-26.1%。该文工作验证了耦合仿生方法可以显著提高破茬效率,为免耕播种机的破茬装置设计提供了技术参考。     

基于camshift仿生机器鱼水下探测算法的设计与实现

提出了一种集成多个红外测距传感器,CMOS摄像头的仿生机器鱼,设计了仿生机器鱼的传感器网络,分析了仿生机器鱼在水面上与障碍物和目标物之间的几何关系.对漂移算法中的camshift算法进行了介绍,并把camshif算法运用到仿生机器鱼的视觉算法中.以模糊算法为基础设计了一种有效的路径规划控制算法.通过camshit算法与路径控制算法有效的结合,使机器鱼能够在水中自主躲避障碍物,并探测到目标物反馈信息.最后用试验验证了算法的有效性.     

计算机在犁体设计中的应用研究

研究了犁体曲面设计中导曲线的计算机绘图及坐标计算程序,按照不同的设计要求输入计算机相应的几个导曲线参数(1,h,s,e及△e)就要直接打印导曲线和坐标值,并能按照不同的比例绘制高精度的导曲线。为提高犁体曲面设计质量和效率提供了可靠保证。比人工设计提高工效20倍。     

静压桩动端阻力与桩端角的关联性分析

基于迈耶霍夫极限承载力理论和Vesic、Terzaghi、Biarez假定的土体滑动模式,推导了静压桩动端阻力的计算表达式。结果表明:3种滑动模式的动端阻力均与桩端夹角有关;进行了30°、45°、60°和180°4种桩端角的算例分析,得到了沉桩动端阻力随桩端夹角的增大而增大,桩端角越小端阻力增加幅度越小的结论;探讨了桩端土体的运动方向和土颗粒位移模式,桩端角越小桩端土体发生径向略偏向上运动,土颗粒的竖向位移小,有利于静压桩的贯入。     

鱿肝脏配合饲料的营养成分及饲养凡纳滨对虾的效果

作者采用挤压生产工艺,将湿鱿肝脏及鱿肝脏粉添加在饲料中做成不同的虾饲料,分析比较了不同试验饲料的营养成分以及饲养凡纳滨对虾Litopenaeus vannam ei的效果。结果表明,饲料中用鱿肝脏替代部分鱼粉、玉米粉,能提高饲料的诱食性及利用率,也能提高凡纳滨对虾体长与体重的增长率,且直接添加湿鱿肝脏并经挤压生产的虾饲料能保持鱿肝脏脂肪酸的不饱和度组成,较添加鱿肝脏粉的饲料营养价值高。     

双翼式深松铲的仿生设计及其离散元分析

深松铲是保护性耕作中进行深松的主要工具,其品质直接影响深松的效果.在对双翼式深松铲改型设计的基础上,应用仿生技术研究成果设计出仿生深松铲,并通过Pro/E软件对改型深松铲和仿生深松铲进行三维建模.而后应用离散元软件EDEM 对两种形式深松铲进行仿真分析,得出速度为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s时两种深松铲所受的耕作阻力.离散元分析结果表明,两种深松铲在触土过程中耕作阻力变化趋势相同.虽然仿生深松铲具有较好的土壤脱附和耐磨性能,但平均耕作阻力较之改型深松铲稍大.本研究方法为新型深松铲的优化设计提供了参考.     

柔鱼不同部位的呈味物质含量比较

将柔鱼可食部分分成胴体，鳍和头足三部分，用80％乙醇抽提法分别对其其味物质作提取试验，测定了不同部位的原料和抽提物中主要呈味物质的含量，并对其中的甜菜碱，氨基酸及无机离子K^ ,Na^ ,Ca^2 ,Fe^2 ,Zn^2 ,PO4^3-,Cl^-等作比较研究。结果表明：无论是原料还是抽提物中，胴体部分甜菜碱和氨基酸含量都最高，而鳍和头足中的含量相对偏低且相差不大；无机离子在胴体，头足和鳍中的含量则依次减少，抽提物中牛磺酸的含量胴体比鳍和头足低。此外，对柔鱼中呈味成分的应用进行了可行性的初步探索。     

柔鱼不同部位的呈味物质含量比较

将柔鱼可食部分分成胴体，鳍和头足三部分，用80％乙醇抽提法分别对其其味物质作提取试验，测定了不同部位的原料和抽提物中主要呈味物质的含量，并对其中的甜菜碱，氨基酸及无机离子K^ ,Na^ ,Ca^2 ,Fe^2 ,Zn^2 ,PO4^3-,Cl^-等作比较研究。结果表明：无论是原料还是抽提物中，胴体部分甜菜碱和氨基酸含量都最高，而鳍和头足中的含量相对偏低且相差不大；无机离子在胴体，头足和鳍中的含量则依次减少，抽提物中牛磺酸的含量胴体比鳍和头足低。此外，对柔鱼中呈味成分的应用进行了可行性的初步探索。     

二自由度振动筛运动学分析及仿真试验

以二自由度(two degree of freedom,2-DOF)振动筛试验平台为研究对象,对二自由度振动筛试验平台简化模型的运动规律及筛面上物料受力情况进行分析,并对所建立的简化模型的合理性进行验证,得到影响简化模型及物料运动的关键因素。利用ADAMS仿真软件对单自由度振动筛模型和二自由度振动筛模型进行仿真研究,结果表明:单自由度机构筛面倾角有微小的变化,二自由度机构筛面倾角在4°~10°之间变化,两个机构水平位移变化量均为65mm,其位移变化规律基本相同;单自由度垂直方向位移为7.5 mm,二自由度机构垂直方向位移变化在0~60mm之间;二自由度横向加速度大于单自由度,垂直加速度小于单自由度。     

马铃薯仿生挖掘铲片的设计与仿真

据蝼蛄前足胫节爪趾第1趾的体视显微镜照片设计了马铃薯挖掘机挖掘铲铲片,为马铃薯挖掘机提供了一种减阻效率较高的挖掘铲。应用AutoCAD软件获取爪趾外侧曲线和内侧曲线的轮廓点,并将点坐标值数据使用LIST命令导出,并借助EXCEL软件多项式拟合法对爪趾的侧面轮廓线进行拟合,在拟合多项式的基础上在Solidworks软件中进行仿生铲片的建模,最后应用LS-DYNA软件仿真模拟普通铲片与仿生铲片挖削土壤的过程,并测定两种铲片的土壤阻力。仿真结果表明,仿生铲片较普通铲片土壤阻力减小近61%。所设计的仿生挖掘铲片为马铃薯挖掘机挖掘铲减阻技术要求提供了一种解决思路,且结构新颖。     

野生、池塘养殖及红树林生态养殖中华乌塘鳢成鱼的形态判别

[目的]比较分析3种不同来源中华乌塘鳢群体是否存在形态差异,为辨别中华乌塘鳢产品来源提供快速便捷的形态学判别方法,也为创建中华乌塘鳢红树林生态养殖品牌提供基础数据.[方法]分别测量中华乌塘鳢野生群体、红树林地埋管道生态养殖群体和池塘养殖群体的6个可量性状和20个外形框架结构数据,并采用方差分析、聚类分析、判别分析和主成分分析等方法进行多元分析.[结果]除头长/体长外,其他各项可量性状比值在各中华乌塘鳢群体间均存在明显差异.主成分分析结果显示,对第一主成分影响较大的有L9(第二背鳍起点至其末端的距离)、L13(第二背鳍末端至臀鳍起点的距离)、L14(第二背鳍末端至尾鳍背侧起点的距离)、L17(第二背鳍末端至尾鳍腹侧起点的距离)、尾柄长/体长和尾柄高/尾柄长等尾端特征值,对第二主成分影响较大的有体高/体长、L2(第一背鳍起点至腹鳍起点的距离)、L5(第二背鳍起点至臀鳍起点的距离)、L6(腹鳍起点至臀鳍起点的距离)、L7(第一背鳍起点至臀鳍起点的距离)和L8(第二背鳍起点至腹鳍起点的距离)等躯干特征值,对第三主成分影响较大的有L11(臀鳍起点至其末端的距离)、L12(第二背鳍起点至臀鳍末端的距离)、L16(臀鳍末端至尾鳍腹侧起点的距离)和L18(臀鳍末端至尾鳍背侧起点的距离)等体后端特征值.野生、生态养殖和池塘养殖中华乌塘鳢群体可通过判别函数进行有效区分,其综合判别正确率为93.1%.聚类分析结果显示,野生群体与生态养殖群体先聚为一支,再与池塘养殖群体相聚,即中华乌塘鳢生态养殖群体与野生群体的形态较相近.[结论]中华乌塘鳢野生群体、红树林地埋管道生态养殖群体和池塘养殖群体的形态存在明显差异,通过形态学多元分析可有效辨别.红树林地埋管道生态养殖群体的形态与野生群体更相近,食物保障和食物组成、环境理化条件等可能是引起中华乌塘鳢各群体形态差异的主要原因.