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摘要：
本文以仿生机器鱼胸鳍摆动模型为研究对象，通过实验仿真分析的方式，对机器鱼的胸鳍摆动运动进行研究。首先，针对机器鱼的物理构造和背景资料进行了整理和介绍，其次，建立了胸鳍摆动运动模型，并通过Fluent模拟仿真，对模型进行了分析和验证，最后，对模型的优点和不足进行了总结和展望。
关键词：仿生机器鱼；胸鳍摆动；模型；仿真
仿生机器鱼是一种基于仿生学原理和智能控制技术的人造鱼类，具有精密的机械构造和复杂的控制系统，可以模拟真实鱼类的动力学特征和运动方式。由于其具有高速、高精度、大范围和多方向的机动能力，所以在水下探测、海洋勘测、水产养殖等领域具有广泛的应用前景。
其中，胸鳍摆动是机器鱼运动的重要组成部分，通过对胸鳍摆动特征的研究，可以为机器鱼运动控制和性能优化提供重要的依据。本文主要研究基于Fluent的仿生机器鱼胸鳍摆动模型仿真分析。
近年来，随着电子技术、材料科学和力学学科的发展，仿生机器鱼的研究逐渐受到了越来越多的关注。其中，机器鱼的胸鳍摆动是机器鱼运动的关键因素之一。
目前，研究人员主要通过实验和数值仿真的方法对机器鱼的胸鳍摆动进行研究。在实验方面，研究人员通过制作模型和利用高速摄像机等设备，对机器鱼的胸鳍摆动运动进行观测和分析。在仿真方面，研究人员主要采用计算流体力学软件和多体系统仿真软件，模拟机器鱼运动过程，并对其运动特征进行分析和优化。
仿生机器鱼的物理结构和参数定义是研究机器鱼胸鳍摆动的基础，机器鱼的物理结构如图1所示：
图1 机器鱼的物理结构
其中，L1、L2和L3分别是机器鱼头部、身体和尾部的长度，B1、B2和B3分别是机器鱼身体宽度、高度和厚度的尺寸，m1、m2和m3分别是机器鱼头、身体和尾部的质量，cg1、cg2和cg3分别是机器鱼头、身体和尾部的重心位置。
机器鱼胸鳍摆动模型是本文的研究重点。在建立模型前，首先需要了解机器鱼胸鳍摆动的特征和运动规律。
据文献[1]报道，，振幅为30度左右，。因此，，振幅为30度，。
图2 机器鱼胸鳍摆动模型
其中，黄色部分表示机器鱼的胸鳍，在每个周期内，胸鳍的运动方向和速度均不发生改变，通过随机数函数进行模拟，从而实现胸鳍摆动的随机性和真实性。
对于机器鱼胸鳍摆动模型的分析和验证，本文采用了Fluent计算流体力学软件进行仿真模拟。在仿真前，需要对胸鳍摆动模型进行网格划分，如图3所示：
图3 胸鳍模型的网格划分
网格划分采用了三角形单元和四边形单元相结合的方法，以提高计算精度和计算效率。在进行仿真前还需要定义气动力学和动力学参数，如表1所示：
表1 模型参数定义及取值
参数 定义 取值
若干胸鳍 气动学参数 Cd= CL =
胸鳍的扰动速度 动力学参数 V=1m/s ω=
采用动网格法对胸鳍进行网格移动，通过顺序耦合方法（Sequential Coupling Method）对流场和胸鳍进行耦合，模拟出机器鱼胸鳍摆动的运动过程，如图4所示：
图4 机器鱼胸鳍运动过程
由图4可知，在机器鱼摇晃时，胸骨鳍产生的流动场随机变化，产生了一定的涡旋，同时胸鳍的振幅和频率随时间变化，从而实现了胸鳍摆动运动的模拟。
通过Fluent计算流体力学软件的仿真分析，对仿生机器鱼胸鳍摆动模型进行了研究。实验结果表明，机器鱼胸鳍摆动模型在Fluent软件下能够成功模拟机器鱼胸鳍摆动的运动过程，符合实际机器鱼的运动特征。
然而，本模型存在以下不足：模型复杂度较高，计算精度相对较低，难以对机器鱼运动性能进行精确预测。因此，在未来的研究中，需要进一步优化模型的物理构造和参数定义，提高模型的计算效率和精度，为机器鱼技术的发展提供更加有效的支持。
参考文献
[1] Chen L, Liu G, Feng Z. A physical model of underwater bio-machine fish based on biomimetic mechanism[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013, 307-308: 428-431.