内容简介
本书以鸬鹚水面短距起飞机理为核心，系统研究其扑翼与脚蹼协同推进的动力学特性，为仿生水空跨域航行器设计提供科学支撑。针对水空介质转换中密度骤变、能量损耗及控制失稳等难题，本书融合生物力学、流体力学与工程学方法，结合实验观测、CFD仿真与流固耦合技术，定量解析鸬鹚扑翼准定常片元模型及脚蹼周期性拍水的非定常流场特征，揭示升阻力动态耦合机制与冲量贡献规律。本书创新性提出骨骼蒙皮变形算法，构建柔性脚蹼高拟真流固耦合平台，模拟生物软组织大变形与流体响应的双向作用，阐明脚蹼波动减阻与姿态自调整机理。
本书研究进一步设计拮抗式仿生脚掌样机，验证了鸬鹚脚蹼基于阻力推进与升力优化的运动策略，揭示其水面起飞初期脚蹼拍击的关键作用及流体能量高效转化规律。书中总结出水空两栖生物进化折中机制（如外形变体、多维适航技术），并通过数值模拟复现鸬鹚短距起飞过程，为跨域航行器辅助动力系统与变体设计提供理论依据。
本书适用于仿生机器人、航空航天及流体力学领域的研究者与工程师，兼具理论深度与工程应用价值。通过解析自然生物跨介质运动的物理本质，为突破水空转换技术瓶颈、推动军事部署与智能城市安防创新提供科学参考，实现了生物机理与工程技术的深度交叉融合。
目录介绍
目录
第1章扑翼力建模
11鸟类飞行运动理论
111鸟类翼型结构
112鸟类扑翼运动学介绍
113空气动力学参数
114现有理论研究
12鸟类扑翼力建模
121扑翼运动学描述
122片条理论
123扑翼空气动力学计算
13本章小结
第2章脚蹼力建模
21后肢力在起飞力学中的作用
211陆地起飞
212水面起飞
22不同机理的水面生物比较
221昆虫类生物水面行进
222大型水面行走生物
223鸬鹚水面行进机理研究
224蛇怪蜥蜴水面行走机理描述
225鸬鹚脚蹼与蛇怪蜥蜴脚蹼相似性
226蛇怪蜥蜴不同阶段的受力假设
227鸬鹚单周期脚蹼力模型
23鸬鹚脚蹼运动学模型
231鸬鹚脚蹼与扑翼耦合关系分析
232鸬鹚腿部运动简化模型
233鸬鹚腿部坐标系建立
234腿部DH矩阵分析
235腿部雅各比矩阵分析
24本章小结
第3章鸬鹚起飞运动数据捕捉
31动作捕捉方法和工具
32腿部关节角度值的捕捉
321捕捉方法
322数据处理
323轨迹图
33扑翼扑动角的捕捉
331捕捉方法
332数据处理
34位移的捕捉
341捕捉方法
342数据处理
343轨迹图
35本章小结
第4章鸬鹚生物学形态和运动学推进研究概述
41引言
42水空两栖生物进化折中权衡机制
421水空跨介质形态和功能进化权衡
422水陆两栖水鸟运动能力的进化折中
43典型水空两栖生物水空跨介运动
431水空跨介质生物的推进机理
432水下冲击出水（冲量型）
433水面滑跃起飞（动量型）
44鸬鹚的形态学及运动机理研究
441鸬鹚生物阶元分类
442水鸟后肢力学研究
443脚蹼作用及力学分析
444鸬鹚的蹼助起飞机理
45本章小结
第5章鸬鹚蹼助水空转换推进机理及运动分析
51引言
52数值模拟模型介绍
521生物飞行和游泳的数值模拟方法
522物理模型
523网格处理方法
53运动及轨迹处理方法
531记号介绍
532数据轨迹处理方法
533轨迹点数据结果
534刚体运动计算方法
54计算结果分析
541鸬鹚水面起飞运动学描述
542鸬鹚水面起飞流场结果
543鸬鹚水面起飞蹼助推进动力学分析
55本章小结
第6章仿生骨骼蒙皮的流固耦合作用机理分析
61引言
62流固耦合计算模型
621数值方法
622几何模型
623网格
63脚掌拍动流固耦合结果
631柔性脚掌拍动受力分析
632脚掌流固耦合运动速度与压力分布
633脚掌流固耦合动力学分析
64脚掌波动推进模型
641脚掌波动运动描述
642脚掌波动运动拟合
643三维表面网格的骨骼权重分布
644三维表面网格的重构和优化
65流体力学数值模型
651几何模型及数学模型
652波动运动学结果分析
653波动动力学结果分析
66本章小结
第7章仿生样机系统集成及运动机理试验验证
71引言
72仿鸬鹚脚掌样机系统设计与集成
721仿生关节驱动系统设计
722仿生关节驱动系统模块组成
723主要模块组成框架
724软体蹼面蒙皮的仿生学材料分析
73仿生样机水面/水下运动流体动力学分析
731测试原理与平台搭建
732仿生样机水面/水下拍动测量结果
733动力学结果分析与误差讨论
74鸬鹚水面起飞过程动力学建模
741扑翼力模型
742脚蹼力模型
743脚蹼运动学模型
75鸬鹚的动力学模型仿真结果及验证
751模型框架
752具体模块设计
753仿真结果
754运动参数的影响
76本章小结
参考文献