【技术实现步骤摘要】
基于ANCF的IPMC连杆式鱼尾动力学响应的仿真方法
[0001]本专利技术属于多体系统动力学建模领域，具体是一种基于ANCF的离子聚合物金属复合材料(Ionic polymer metal composite，IPMC)连杆式鱼尾动力学响应的仿真方法。
技术介绍
[0002]智能材料IPMC驱动的柔性仿生机器鱼是典型的柔性多体系统，从柔性多体系统动力学建模理论着手，对考虑真实物理场环境和具备大摆幅游动能力的柔性仿生机器鱼系统的多场耦合动力学特性及其在软质智能材料驱动下的大变形机理进行深入研究很有必要。水下的流固耦合效应，鱼体游动时的刚柔耦合效应，都是IPMC驱动器应用于仿生机器鱼系统动力学建模中需要考虑的因素。因此建立IPMC连杆式鱼尾大变形动力学模型有着非常重要的意义。
[0003]Wang等人在《Dynamic Modeling of Robotic Fish With a Base
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Actuated Flexible Tail》一文中采用有限段法针对柔性鱼尾驱动的机器鱼进行了动力学建模研究...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于ANCF的IPMC连杆式鱼尾的动力学响应仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将IPMC连杆式鱼尾简化为IPMC柔性梁固结刚性梁的双梁式结构，设定两梁的几何参数和材料参数，设定环境参数以及IPMC柔性梁的驱动电压幅值和频率；步骤2，选用一维二节点ANCF梁单元对双梁式结构进行单元离散，计算各单元在惯性坐标系下的自由度；步骤3，计算各单元的质量矩阵，通过采用连续介质力学中的Green
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Lagrangian应变张量计算方法及引入曲率，计算各单元的弹性力矩阵；步骤4，根据设定的驱动电压，通过Nemat
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Nasser理论得到IPMC柔性梁输出力矩，将输出力矩转化为广义力矩阵的形式作为广义力矩，计算各单元的流体阻力作为广义集中力，广义力矩和广义集中力共同作为广义外力；步骤5，构建动力学方程组，利用广义
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α方法作为求解算法来进行动力学方程组迭代求解，得到结构所有节点各自由度的位移、速度、加速度数据，绘制结构的运动轨迹图。2.根据权利要求1所述的基于ANCF的IPMC连杆式鱼尾的动力学响应仿真方法，其特征在于，步骤1，设定两梁的几何参数和材料参数，设定环境参数以及IPMC柔性梁的驱动电压幅值和频率，其中几何参数包括长宽高，材料参数包括密度、弹性模量，环境参数包括流体密度、阻力系数。3.根据权利要求1所述的基于ANCF的IPMC连杆式鱼尾的动力学响应仿真方法，其特征在于，步骤2，选用一维二节点ANCF梁单元对双梁式结构进行单元离散，计算各单元在惯性坐标系下的自由度，具体方法为：采用一维二节点ANCF梁单元将IPMC柔性梁和刚性梁等分为多个梁单元；在惯性坐标系下描述各梁单元的自由度，设惯性坐标系为O
‑
XYZ，单元坐标系为o
‑
xyz，则单元中轴线任意一点的绝对位置矢量r表示为：其中，r1与r2分别为矢量r在X，Y方向的两个分量，a
n
为r1的插值多项式的系数，b
n
为r2的插值多项式的系数；S为单元形函数，表示为：S为单元形函数，表示为：其中l为未变形时梁单元的长度，x为未变形时任意一点在梁单元上的位置坐标；每个梁单元节点坐标列阵q包括2个节点共8个自由度，表示为：
4.根据权利要求2所述的基于ANCF的IPMC连杆式鱼尾的动力学响应仿真方法，其特征在于，步骤3，计算各单元的质量矩阵，通过采用连续介质力学中的Green
‑
Lagrangian应变张量计算方法及引入曲率，计算得到各单元的弹性力矩阵，具体方法为：M为单元质量矩阵，表示为其中，ρ和A分别为梁单元的密度和横截面积；ε
x
为非中线任意一点的应变，写为ε
x
＝ε
x0
‑
yκ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，ε
x0
为对应中线上的点的应变，y为这两点在单元坐标系上y方向的距离，κ为对应中线上的点的曲率，根据对称性，通过虚功原理，单元弹性力做的虚功δW
fe
为其中，V为单元体积，E为弹性模量，I
z
为截面惯性矩，根据连续介质力学中的Green
‑
Lagrangian应变张量计算方法，ε
x0
表示为变分得δε
x0
＝δq
T
S
′
T
S
′
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)曲率κ为其中，根据向量乘法运算规则得根...
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