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基于EAP材料驱动的仿生鱼尾鳍设计与仿真

王思蛟 张豪毅 陈彦霖 曹凯明

王思蛟, 张豪毅, 陈彦霖, 等. 基于EAP材料驱动的仿生鱼尾鳍设计与仿真[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(4): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164
引用本文: 王思蛟, 张豪毅, 陈彦霖, 等. 基于EAP材料驱动的仿生鱼尾鳍设计与仿真[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(4): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164
WANG Sijiao, ZHANG Haoyi, CHEN Yanlin, CAO Kaiming. Design and Simulation of Biomimetic Fish Caudal FinDriven by EAP Materials[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164
Citation: WANG Sijiao, ZHANG Haoyi, CHEN Yanlin, CAO Kaiming. Design and Simulation of Biomimetic Fish Caudal FinDriven by EAP Materials[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164

基于EAP材料驱动的仿生鱼尾鳍设计与仿真

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164
基金项目: 陕西省科技厅青年基金(K20210091).
详细信息
    通讯作者:

    王思蛟(1986-), 女, 博士, 讲师, 主要研究方向为智能电介质材料.

  • 中图分类号: TJ630; U663.5

Design and Simulation of Biomimetic Fish Caudal FinDriven by EAP Materials

  • 摘要: 在海洋保护与探测领域不断发展的背景下, 传统水下驱动装置存在结构复杂、运动效率偏低等固有缺陷, 柔性材料凭借适配性强、安全性高及灵活性足的优势, 逐渐成为水下仿生驱动领域的研究热点。文中依托电活性聚合物(EAP)能量密度高、机电耦合效率高的材料优势, 结合弹簧挠曲变形与弹性恢复作用, 模拟鱼体-尾鳍(BCF)推进模式的收缩与放松周期性变形过程, 设计了一种圆柱形仿生尾鳍驱动装置, 可实现尾鳍肌肉的连续顺应性变化。基于流体力学理论系统分析尾鳍运动规律与推进力的耦合机理, 构建鳍条摆动瞬时力学模型, 并融入实验数据进行求解。利用Fluent软件建立三维数值仿真模型, 通过动网格计算结果与力学模型预测结果的对比分析, 完成模型有效性验证, 为新型仿生鱼的设计开发提供理论支撑与实验依据。

     

  • 图  1  圆柱形EAP驱动器简化模型

    Figure  1.  Simplified model of cylindrical EAP actuator

    图  2  圆柱形EAP驱动器简化模型

    Figure  2.  Simplified model of cylindrical EAP actuator

    图  3  尾鳍几何设计模型

    Figure  3.  Geometric model of caudal fin

    图  4  EAP驱动器完整设计结构

    Figure  4.  Overall design structure of EAP actuator

    图  5  圆柱形EAP驱动器制作流程

    Figure  5.  Fabrication process of cylindrical EAP actuator

    图  6  圆柱形EAP驱动器

    Figure  6.  Cylindrical actuator of EAP

    图  7  BCF仿生驱动运动简图

    Figure  7.  Schematic of BCF biomimetic propulsion motion

    图  8  仿生尾鳍受力运动简图

    Figure  8.  Force analysis diagram of the biomimetic caudal fin

    图  9  鱼尾弯曲变形几何结构图

    Figure  9.  Geometric structure diagram of caudal fin bending deformation

    图  10  流体域及网格划分

    Figure  10.  Fluid domain and meshing

    图  11  不同驱动电压和频率下鱼尾平均推进力

    Figure  11.  Average thrust of caudal fin under different driving voltages and frequencies

    图  12  6 kV、3 Hz电压条件下鱼尾CFD仿真推进力曲线

    Figure  12.  CFD simulation curve of propulsive force for caudal fin at 6 kV and 3 Hz

    图  13  鱼尾单周期内压强云图

    Figure  13.  Pressure contour nephogram of bionic caudal fin in one motion cycle

    表  1  弹簧规格参数

    Table  1.   Spring specification parameter

    型号线径/mm外径/mm长度/mm
    11.012120
    21.222120
    31.522150
    41.822180
    下载: 导出CSV

    表  2  4种不同弹簧型号下平均值

    Table  2.   Average values of springs under different processes for four models

    型号驱动力/N弯曲角度/(°)击穿电压/kV
    10.38446.5
    20.44306.5
    30.66366.5
    40.76406.0
    下载: 导出CSV

    表  3  EAP致动器的性能测试及功能检测

    Table  3.   Performance test and function test of EAP actuator

    弯曲方向 左侧通电/kV 右侧通电/kV 弯曲角度/(°) 输出应力/N
    0 6 42 0.82
    6 0 43 0.83
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-12-09
  • 修回日期:  2026-01-07
  • 录用日期:  2026-01-19
  • 网络出版日期:  2026-03-30
图(13) / 表(3)

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