鱼类巡游的综合游动力学正问题和反问题整体模化研究及其肌肉力学性能分析

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综合游动力学是研究鱼类游动的运动链的一体化问题,其中既包含体外的介质流动与鱼体运动的相互作用,还包含体内骨骼肌的主动收缩作用和鱼体生物组织的被动应变效应。涉及的力学分支学科包括肌肉力学、鱼体结构动力学、流体力学以及变形体动力学等。纵观鱼类游动力学发展的历史轨迹,对鱼游研究如何由着眼于单一分支学科的研究,发展到多个分支学科交叉复合的综合游动力学研究,本文做了简明的综合评述,并提出当前的任务。为此,本文做了如下主要工作:  (1)综合游动力学的反问题研究——活体体内作用的预测。反问题是从已知的运动链末端的鱼体动态变形规律出发,反推运动链上游的肌肉主动力。在此整体模化框架内做了以下两部分工作。首先,提出了一种预测鱼体材料粘弹性力学性能的新方法,其核心思想是,鱼体的被动粘弹性力学性能应使其鱼游性能最优化,同时需要满足一定的约束条件。基于此方法研究了鲹科鱼类和鳗鲡鱼类的鱼体材料被动变形的力学性能。结果显示,个体越大的鱼其鱼体的等效杨氏模量越大。其次,利用前文预测的鱼体材料力学参数,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类在巡游中的肌肉力学性能异同。结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应。  (2)综合游动力学的正问题研究——鱼类“自由游动”的整体模化。正问题是从运动链上游的运动神经信号出发,推出自由的鱼体变形运动和整体运动。本文搭建了“肌肉动作—鱼体变形—流体反作用—整体运动”的运动链正问题整体模化框架,并初步实现了鱼类“自由游动”的半解析、半数值方法计算模拟平台,该平台可用于模拟模型鱼的二维自主巡游。然后,以鳗鲡鱼类巡游为例,应用该基础平台研究鱼游运动链中的游动控制机理。模拟的结果定量符合鳗鲡的波状摆动运动特征。对比研究了不同的肌肉强度分布函数对鱼游性能的影响,结果显示,鳗鲡鱼类中肌肉的强度在尾部低于躯干,这是一种有益的游动控制手段,其机制在于控制鱼体形成高效推进的变形方式。通过鱼游性能优化设计来预测最优化的肌肉强度分布,得到的结果和实验数据定量吻合。  (3)基于鱼体连续梁模型的鱼体结构动力学方程推导。给出了一般的二维鱼体动力学控制方程,再由此出发,通过量级估算和误差分析的方法,从理论上导出了适用于巡游的鱼体连续梁模型的结构动力学方程。该方程是对鱼游运动链反问题和正问题的整体模化工作的基础。
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