随着海洋战略地位的不断提升,水下航行器在海洋资源探索、海洋资源考察和军事等领域发挥越来越重要的作用。传统水下航行器大多采用螺旋桨推进,但存在噪声大、对环境扰动大、机动性和隐蔽性较差等不足。为了弥补螺旋桨推进方式的不足,人们不断探寻新型推进模式。鱼类经过大自然百万年进化和选择,具备优越的水下运动性能。其中鱼类波动鳍推进模式相对于尾鳍推进模式具有更加高效且易于移植的特点,为新型仿生推进装置的研制提供了新的思路。但由于波动鳍运动形式复杂,仿生推进装置完全复现波动运动形式难度较大,对控制系统要求较高。为了简化波动鳍仿生推进装置的控制系统,降低设计难度与研制成本。本文以波动鳍为仿生设计对象,分析波动鳍形态结构和运动特点,仿生设计一种单驱动波动鳍仿生推进装置;基于仿生推进装置提出一种新型多波动鳍水下航行器结构方案,建立水下航行器运动系统模型;针对波动鳍二维波动和水下航行器进行水动力模拟仿真,分析验证波动鳍推进机理,研究航行器不同来流速度下的阻力特性。论文主要研究内容如下:(1)选取弓鳍目鱼类的柔性波动长背鳍为仿生对象,总结其形态结构和运动特征,定性分析波动鳍推进机理,为仿生推进装置研究提供设计依据和理论基础;对实际波动鳍进行适当的模型简化,实现生物模型到物理模型的转化;建立波动鳍运动学数学模型,描述波动鳍不同时刻运动状况;从柔性长背鳍所受水动力入手,对其进行水动力学分析和建模。(2)根据柔性长背鳍波动运动特点,运用结构仿生原理以及相似性原则设计一种新型波动鳍仿生推进装置。推进装置由鳍条基本运动单元和连接鳍条的鳍面组成,根据机构学设计原理,鳍条基本运动单元采用曲柄摇杆机构实现在一定角度内周期性的摆动;通过组合各运动单元的曲柄形成曲轴,各曲柄之间设置一定的角度差从而实现各鳍条间有序的摆动,鳍条间采用柔性材料连接最终形成鳍面的波动运动。优化设计各构件参数,使其具备良好的传力性能和波动对称性,并使用ADAMS软件进行仿真验证。(3)考虑单驱动波动鳍推进装置波形固定的特点,无法实现多种波动运动模式,因此提出一种多波动鳍协同运动仿生水下航行器结构方案。基于仿生学原理和鱼类集群运动思想,采用四组波动鳍推进装置交错平行配置构成推进运动系统,通过各波动鳍之间的协同控制产生前进推进力、转向偏航力矩和浮沉俯仰力矩。建立水下航行器运动系统模型,分析航行器受力与运动状态的关系,为控制系统的设计提供理论依据。从功能划分的角度,分析子功能到总功能的层级关系,规划波动鳍控制系统分层控制方案。(4)针对波动鳍和水下航行器进行水动力数值模拟仿真,分析验证波动鳍推进机理,研究航行器阻力特性。建立波动鳍简化二维波动运动模型,通过使用FLUENT软件进行数值模拟仿真。根据波动鳍波动运动过程中无量纲阻力系数变化规律与鳍面周围的压力场和速度场分布特征,分析波动鳍推进机理。对航行器利用CFD方法进行阻力特性仿真分析,可视化航行器所受压力和周围流场分布,为航行器优化分析奠定基础。