随着全球经济的发展以及能源环境的变化,国家的海洋安全具备越来越重要的战略地位,海洋资源作为地球上重要的资源储备,越来越受到国家的重视;而海洋的交通运输以及军事战略意义也举足轻重。然而传统的潜航器的体积大,重量大,推进效率低下,机动性能差,不能满足日益增长的对于海洋战略的需要。因此如何提高水下潜航器的推进性能,也成为一个亟待解决的问题。海洋生物经过亿万年的进化,在水环境中都进化出了一套独特的游动推进方式。特别是鱼类的波动推进和虾类在快速逃逸时的射流推进,具有高机动性、高性能、高效率和低干扰等特点,这与当前水下仿生机器人的需求不谋而合。因此高机动性、高稳定性、高效率、高隐身性能的多功能水下仿生潜航器的研究及应用随之兴起,并对保障国家海洋安全等方面至关重要。本文以主动变形为研究方向,从波动推进和射流推进两个方面研究了主动变形对于水下仿生推进器推进性能的影响。首先从仿生学的角度出发,以BCF鱼类和小龙虾的推进方式为研究对象,围绕提高鱼类的波动推进和小龙虾的射流推进推进性能展开研究。针对鱼类的波动推进,首先研究了不同形状的鱼鳍对于不同环境和任务的影响,然后设计出了主动变形柔性尾鳍以及实验平台,利用仿生对象形态结构对比、数值研究、模型试验等方法,探索出不同任务下最优的柔性尾鳍形状。并且使仿生尾鳍能够根据任务性质,通过尾鳍结构的形态变化和结构变化,光滑而持续地改变外形,实现几何形状上的主动变形对不断改变的游动条件和任务特点做出响应,既具备长航时长航程能力,又具备高速、高机动推进的能力,极大的改善推进性能;针对射流推进,创造性的将红白肌运动方式与小龙虾传统的射流推进相结合,使仿生小龙虾尾部在快速向头部弯曲之后能够保持弯曲状态,实现时间上的主动变形,使仿生小龙虾能够通过这种控制模式获得更远的位移,提高了射流推进的性能。主要研究内容和成果如下:(1)对于主动变形波动推进,以鱼类为仿生研究对象,首先从仿生学的角度对其形态结构进行分析。分析了金枪鱼、梭子鱼和蝴蝶鱼的尾鳍形态和展弦比的特点。设计了的主动变形状柔性尾鳍。并且通过对其面积变化进行计算,研究了尾鳍展弦比的变化关系。建立了尾鳍摆动的模型,并计算出理论上的总体速度、摆动效率以及输入功率;对推力理论进行了研究,推导出理论上推进力的计算公式,为主动变形状柔性尾鳍对推进性能提高的研究提供了理论计算基础。设计主动变形波动推进实验平台,用以评估不同控制模式以及参数对推进性能的影响。以设计的实验平台为基础,选用力反馈法作为实验的测量方法,并探究了基于力反馈法的效率计算方法。(2)对于主动变形射流推进,以小龙虾为主要仿生对象,分析了小龙虾的形态结构,并通过小龙虾尾部的截面图了解小龙虾射流推进的运动结构。研究红白肌运动机理,将红白肌的运动方式与小龙虾射流推进相结合,为仿生小龙虾设计出红白肌推进模式,并以此为基础设计了 SMA柔性推进器,该推进器能够模拟虾类尾部快速向头部弯曲的动作,从而实现射流推进。对SMA的基本特性进行分析,通过了解马氏体与奥氏体的相变机制和一维本构模型,进行了SMA丝热力学分析,推导了 SMA丝加热和冷却时的热传导模型。建立了 SMA柔性推进器的静力学模型,推导得出SMA柔性推进器的最大弯曲角度和最小半径。最后为主动变形射流推进设计了实验平台,用以对比传统控制模式和红白肌控制模式以及不同参数对于射流推进性能的影响。(3)搭建了主动变形状柔性尾鳍的整体实验平台系统,分析了每种形状尾鳍的推进力曲线、平均推进力以及推进效率的变化规律,发现当尾鳍形状固定时,只可能有最大的推进力或者最大的推进效率,但是并不能两者兼顾。对摆动频率、摆动幅度以及相对来流速度等运动学参数进行实验研究,以分析不同环境和任务下使尾鳍获取最优推进性能的运动学参数。设计了两种在同一周期内能够连续变化形状的尾鳍控制模式,并与两种固定形状(新月形、扇形)的尾鳍进行不同动力学参数的实验,通过对比实验,发现在特定的环境下,在同一周期内连续变形的模式能够提高尾鳍的推进力和推进效率,改善推进性能。通过实验发现,并不是在所有情况下变形模式的推进性能都要优于固定形状模式,需要具体问题具体分析,从而能让推进器在行进过程中根据外界环境和任务的不同实时改变形状,以实现全工况最优化的波动推进。(4)搭建了射流推进整体实验平台系统,对仿生小龙虾进行射流推进实验研究。分析虾类在进行射流推进时的运动过程,设计了红白肌推进模式,并与虾类传统推进模式进行比较。通过对比传统模式和红白肌模式的射流推进力轨迹,发现红白肌模式能够有效减少推进力产生的波动;通过比较仿生小龙虾的运动轨迹,发现红白肌模式能够提高仿生小龙虾射流推进的X轴向位移。之后对于SMA柔性推进器的SMA丝径、弹性钢片厚度以及驱动电压进行研究分析通过对X、Z轴的平均推进力、推进合力以及射流推进方向进行对比,得出最佳推进性能下的射流推进合力及方向。