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蛙人下肢姿态与流场环境动态交互作用研究

邹朋君 林兴华 张峻霞 王浩 王新亭 王昊

邹朋君, 林兴华, 张峻霞, 等. 蛙人下肢姿态与流场环境动态交互作用研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(5): 836-845 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052
引用本文: 邹朋君, 林兴华, 张峻霞, 等. 蛙人下肢姿态与流场环境动态交互作用研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(5): 836-845 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052
ZOU Pengjun, LIN Xinghua, ZHANG Junxia, WANG Hao, WANG Xinting, WANG Hao. Dynamic Interaction between Frogman’s Lower Limb Posture and Flow Field Environment[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(5): 836-845. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052
Citation: ZOU Pengjun, LIN Xinghua, ZHANG Junxia, WANG Hao, WANG Xinting, WANG Hao. Dynamic Interaction between Frogman’s Lower Limb Posture and Flow Field Environment[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(5): 836-845. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052

蛙人下肢姿态与流场环境动态交互作用研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052
基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目(62301360); 天津市自然科学基金-青年项目(23JCQNJC01170); 天津市自然科学基金青年B类项目(25JCQNJC01070).
详细信息
    通讯作者:

    林兴华(1990-), 男, 博士, 硕导, 助理研究员, 主要研究方向为水下助力装备.

  • 中图分类号: TJ630; U663

Dynamic Interaction between Frogman’s Lower Limb Posture and Flow Field Environment

  • 摘要: 针对水下运动中蛙人下肢姿态与流场环境的动态耦合机制问题展开研究。首先, 采用流固耦合仿真方法, 构建穿戴式助力装备的蛙人下肢动力学数值模型, 通过与实验结果进行对比, 验证了数值模型的可靠性; 其次, 基于验证模型分析不同航速下水流冲击对蛙人下肢姿态的影响, 揭示了关节角度变化规律; 最后, 基于NSGA-II多目标优化算法得到不同航速时下肢关节角度的Pareto最优解集, 提出了基于姿态补偿的阻力优化策略, 并通过实验验证了优化效果。研究结果表明: 固定航速下, 下肢姿态经历“最大形变—反向调整—动态平衡”3个阶段, 且随着运动速度提高, 下肢稳定姿态更趋于流场自适应平衡点; 在1~3 kn航速范围内, 髋、膝、踝关节的姿态稳定角度与阻力最优角度之间的补偿量分别为−0.78°、2.28°和−1.05°, 在对下肢姿态优化实验验证中, 航速较自由状态提高9.09%, 说明通过下肢姿态角度约束可以提高水下运动性能, 为水下助力外骨骼关节模块的闭环控制和总体的流场适应性设计提供了量化依据。

     

  • 图  1  外骨骼系统几何模型

    Figure  1.  Geometric model of exoskeleton system

    图  2  蛙人下肢运动坐标系

    Figure  2.  Lower extremity motion coordinate system of the diver

    图  3  流体域网格划分及边界条件

    Figure  3.  Meshing and boundary conditions of fluid domain

    图  4  阻力对比分析

    Figure  4.  Comparative analysis of resistance

    图  5  航速为3 kn时蛙人周围流场压强

    Figure  5.  Pressure distribution of the flow field around the frogman at a speed of 3 kn

    图  6  下肢关节角度动态响应曲线

    Figure  6.  Dynamic response curves of lower limb joint angles

    图  7  不同航速下关节最大角度和稳定角度

    Figure  7.  Maximum angles and stable angles of joints at different speeds

    图  8  下肢关节角度对阻力系数的影响规律

    Figure  8.  Effect of lower limb joint angles on drag coefficient

    图  9  下肢关节角度对比

    Figure  9.  Comparison of lower limb joint angles

    图  10  下肢关节姿态补偿角度随航速变化曲线

    Figure  10.  Variation curves of lower limb joint posture compensation angles with speed

    表  1  网格无关性验证

    Table  1.   Grid independence verification

    网格方案 网格数量 阻力系数 变化率
    Cas-1 1.81×106 0.448
    Cas-2 3.00×106 0.471 4.88%
    Cas-3 4.83×106 0.470 0.21%
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    表  2  下肢关节角度动态响应分级模型回归参数

    Table  2.   Regression parameters of the graded model for dynamic response of lower limb joint angles

    回归参数 踝关节 膝关节 髋关节
    最大屈曲角度响应系数 −0.357 1.316 −2.326
    稳定屈曲角度响应系数 1.0842 −2.546 −2.01
    最大屈曲角度初始值 35.215 26.25 14.44
    稳定屈曲角度初始值 30.225 11.11 7.4703
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    表  3  关节角度拟合优度系数(R2)

    Table  3.   Goodness-of-fit coefficient of joint angles (R2)

    $ {\theta }_{a,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ $ {\theta }_{a,\mathrm{s}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{k,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ $ {\theta }_{k,\mathrm{s}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{h,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ $ {\theta }_{h,\mathrm{s}\mathrm{t}} $
    0.996 0.982 0.993 0.987 0.954 0.996
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    表  4  下肢关节临界角度与阻力系数的对应关系

    Table  4.   Correspondence between the critical lower limb joint angles and drag coefficient

    关节 θst/(°) Cd,st θp/(°) Cd,p 阻力变化率/%
    踝关节 31.9 0.430 31.0 0.419 2.6
    膝关节 7.0 0.443 9.2 0.412 7.0
    髋关节 4.2 0.436 3.5 0.421 3.4
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    表  5  不同航速时下肢关节角度Pareto最优解集

    Table  5.   Pareto optimal solution sets of lower limb joint angles at different navigation speeds

    ${{V}_{n}}/\text{kn} $ $ \theta_{a,\mathrm{opt}} /(^\circ )$ $ \theta_{k,\mathrm{opt}}/(^\circ ) $ $ \theta_{h,\mathrm{opt}}/(^\circ ) $
    1.0 29.6 12.3 6.7
    1.5 30.0 11.5 5.6
    2.0 30.3 10.9 4.4
    2.5 30.6 10.3 3.7
    3.0 30.8 9.8 3.4
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    表  6  不同航速下下肢关节角度阻力系数

    Table  6.   Drag coefficient of lower limb joint angles at different speeds

    Vn/kn $ {\theta }_{a,\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{a,\mathrm{s}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{k,\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{k,\mathrm{s}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{h,\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{t}} $ $ {\theta }_{h,\mathrm{s}\mathrm{t}} $
    1.0 0.420 0.421 0.428 0.454 0.443 0.460
    1.5 0.425 0.450 0.424 0.458 0.429 0.472
    2.0 0.432 0.437 0.430 0.435 0.442 0.450
    2.5 0.430 0.439 0.410 0.437 0.432 0.444
    3.0 0.419 0.430 0.412 0.443 0.421 0.436
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    表  7  不同实验方案下蛙人航行实验结果

    Table  7.   Experimental results of frogman navigation under different protocols

    实验方案时间/s速度/kn最大功率/W
    优化姿态24.52.41 100
    自由状态26.72.21 100
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-03
  • 修回日期:  2025-05-23
  • 录用日期:  2025-05-28
  • 网络出版日期:  2025-09-12

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