仿鱼长鳍波动推进水下机器人不仅是一种具有新颖推进方式的、复杂的智能机器人系统,而且是一种新概念的水下航行器,无论存军事还是民用领域都有着广阔的应用前景。论文以弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”为仿生对象,主要围绕弓鳍目长背鳍波动推进模式鱼类游动的仿生学研究、仿生波动鳍建模与动力分析、仿生波动鳍结构参数与运动参数对推进性能影响等开展一些理论与实验研究方面的探索性工作,为工程上建立实用的仿生柔性长鳍简化模型及其简化准则提供依据,为研制具有灵活机动和高效推进能力的水下仿生航行器奠定基础。论文的主要工作和研究成果包括:(1)建立了鱼类柔性长鳍波动推进的运动学数据库,提取了弓鳍目推进模式鱼的身体形态特征、结构特征和稳态游动的基本运动特征,为仿生波动鳍形态学和运动学建模、波动推进理论验证、计算流体仿真的形体构造与运动描述以及仿生波动鳍机械推进装置设计奠定了仿生学基础。(2)从活鱼的运动学数据出发,利用改进的大摆幅伸长体模型,完成了对“尼罗河魔鬼”长背鳍波动推进的动力学分析。结果显示:在每秒0.728～0.985鳍长的特征游速范围内,“尼罗河魔鬼”长背鳍波动推进的水动力学效率介于81.664%～86.420%之间,且随速度增大而增大,表明长背鳍波动推进游动是一种适应水中环境的高效游动模式。(3)研究了柔性长鳍波动推进模式能量和动量传输方式的有效性,探讨了长鳍波动推进力产生的非定常机理。结果表明:通过允许大量的水被小质量的鳍面推动,柔性长鳍波动推进提供了一种有效的动量传递的方式;定性分析柔性长背鳍波动推进是由流体延迟脱流现象产生的结果,在大攻角条件下波动鳍产生的非定常升力和阻力是由同一机理引起,不同于小攻角条件下力产生的定常机理。(4)提出了“刚性鳍条简谐摆动+鳍面薄膜柔性变形”的仿生波动鳍运动和变形模型,建立了仿生鳍的动力平衡方程。为简化分析和计算仿生波动鳍运动的动力学性能提供了解析模型。(5)基于仿生实验测试平台,对仿生波动鳍推进进行了实验研究,采用正交实验设计方法对仿生波动鳍推进实验方案进行了整体优化,综合应用极差分析和方差分析对实验测量数据进行分析,成功地从实验角度研究了仿生波动鳍结构参数和运动参数对推进性能的影响,实验研究发现:1)鳍条形状、鳍条摆频、波数和鳍面材料硬度是影响仿生鳍波动推进整体性能的主要因素;2)增大鳍条摆频是提高仿生波动鳍推进运动性能和水动性能最直接也是最有效的途径;3)波动长鳍形状是影响仿生鳍推进功率和推进效率的首要因素,增大鳍面展弦比可提高推进速度,但推进效率会降低,适当改变鳍条倾角,不仅可提高推进速度和推进加速度,同时也提高推进效率;4)相同条件下软鳍面仿生鳍的推进效率明显高于硬鳍面仿生鳍的推进效率。上述研究工作和取得结果对进一步开展仿鱼长鳍波动推进机理研究和研制新型水下仿鱼长鳍波动推进航行器,即具有重要的理论意义,又具有潜在的应用价值。