基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝及其控制方法。基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，包括頭導(dǎo)流板、側(cè)導(dǎo)流板I、仿鯊魚(yú)減阻蒙皮、側(cè)導(dǎo)流板II、尾導(dǎo)流板、蒙皮支撐座、橫向拉伸電機(jī)、卷軸支架I、蒙皮卷筒、卷軸支架II、蒙皮卷軸。還包括蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明能夠針對(duì)某一載體航行器在不同工作速度下動(dòng)態(tài)、精確地進(jìn)行自身溝槽寬度的調(diào)整，使得該減阻鋪裝能夠?qū)?yīng)相應(yīng)航行速度持續(xù)、自適應(yīng)地發(fā)揮最佳減阻效能，達(dá)到降低載體航行器航行阻力、提高機(jī)動(dòng)性和速度、提高燃料利用效率并增大航程的目的。
【專利說(shuō)明】基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝及其控制方法，更特別地說(shuō)，是指對(duì)制作出的窄溝槽型仿鯊魚(yú)減阻蒙皮進(jìn)行動(dòng)態(tài)、精確地橫向拉伸以增加其表面微形貌的溝槽寬度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最佳減阻的方法，屬于工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]固液界面間的壁面摩擦阻力是造成航行器能耗損失的主要來(lái)源，有效降低其表面流體阻力、提高機(jī)動(dòng)性和速度、減少能耗損失對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全具有重要意義。在航行器表面鋪設(shè)具有高效減阻效力的鋪裝是一種重要而便捷的方法。作為海洋中的游泳健將，鯊魚(yú)表皮上結(jié)構(gòu)獨(dú)特的溝槽型微形貌因其具有優(yōu)異的減阻效能，多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外工程仿生領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于仿鯊魚(yú)減阻表面的制造主要基于仿制和復(fù)制兩種手段。例如，美國(guó)專利US Patent 4930729、5386955、5606201分別公開(kāi)了采用仿形加工方法成形低逼真度仿鯊魚(yú)減阻微形貌的制備方法；中國(guó)專利ZL200710117619.0、ZL200910076509.3、ZL201110261667.3、ZL201110261668.8 分別公開(kāi)了采用復(fù)制成形方法制作高逼真度仿鯊魚(yú)減阻微形貌的制備方法。需要強(qiáng)調(diào)的是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中上述仿鯊魚(yú)減阻微形貌均是固定不變的。
[0004]然而，研究表明，鯊魚(yú)表皮微形貌上的鱗片溝槽寬度是影響其減阻效能的重要結(jié)構(gòu)要素，且仿生鯊魚(yú)皮為達(dá)到最佳減阻效果，不同溝槽寬度均對(duì)應(yīng)一個(gè)適宜工作速度。溝槽寬度較小的仿生鯊魚(yú)皮適合于速度較高的載體航行器減阻，而溝槽寬度較大的仿生鯊魚(yú)皮適合于速度較低的載體航行器減阻。因此，減阻微形貌全程固定不變的仿生鯊魚(yú)皮顯然無(wú)法迎合載體對(duì)象的不同航行速度持續(xù)發(fā)揮最佳減阻效能，在實(shí)際使用效果方面存在局限性。目前，相關(guān)的研究已有開(kāi)展，例如中國(guó)專利ZL201010232854.4公開(kāi)了一種基于表面形貌尺寸可調(diào)的變形仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的制作方法。該方法根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的常用速度、介質(zhì)粘度等參數(shù)事先調(diào)整好蒙皮的表面形貌尺寸，使仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的減阻效果接近最佳狀態(tài)。然而，其不足之處在于:該方法只是在仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的制作過(guò)程中做到了對(duì)溝槽尺寸的調(diào)整，旨在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地制作出能夠迎合載體不同工作速度的一系列減阻蒙皮，因而每個(gè)減阻蒙皮在投入應(yīng)用時(shí)仍是形貌固定不變的，它并不能針對(duì)同一載體在不同工作速度下實(shí)時(shí)、自適應(yīng)地進(jìn)行自身溝槽寬度的調(diào)整，以保證該減阻蒙皮始終工作在最佳減阻狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝的控制方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。[0007]本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，其特征在于，包括頭導(dǎo)流板、側(cè)導(dǎo)流板1、仿鯊魚(yú)減阻蒙皮、側(cè)導(dǎo)流板I1、尾導(dǎo)流板、蒙皮支撐座、橫向拉伸電機(jī)、卷軸支架1、蒙皮卷筒、卷軸支架I1、蒙皮卷軸，所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮為一窄溝槽型蒙皮，其上表面為溝槽面，其下表面沿垂直溝槽方向設(shè)有至少2列呈獨(dú)立排列的倒T形引腳，每列引腳的數(shù)量若干，所述蒙皮支撐座的下表面與載體航行器機(jī)體外表面固定連接，上表面開(kāi)有至少2列倒T形滑槽，所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮位于蒙皮支撐座上表面上，其處于垂直來(lái)流方向的一端與蒙皮支撐座所處垂直來(lái)流方向的一端相固定，其處于垂直來(lái)流方向的另一端繞過(guò)蒙皮支撐座所處垂直來(lái)流方向另一端的圓角后固定于蒙皮卷筒上，所述倒T形引腳處于倒T形滑槽內(nèi)并與之配合使得仿鯊魚(yú)減阻蒙皮非固定部分與蒙皮支撐座上表面做滑動(dòng)連接，所述頭導(dǎo)流板位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮來(lái)流端的前方，所述尾導(dǎo)流板位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮去流端的后方，所述側(cè)導(dǎo)流板I和側(cè)導(dǎo)流板II位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮垂直于來(lái)流方向的兩側(cè)，頭導(dǎo)流板、尾導(dǎo)流板、側(cè)導(dǎo)流板1、側(cè)導(dǎo)流板II均固定于載體航行器機(jī)體外表面上，四者的最高端與仿鯊魚(yú)減阻蒙皮抵近、齊平并共同形成順滑過(guò)渡表面，橫向拉伸電機(jī)處于側(cè)導(dǎo)流板I下方并與蒙皮支撐座平行于去流方向的一側(cè)立面相固定，其輸出端連接蒙皮卷軸的輸入端，蒙皮卷軸通過(guò)卷軸支架1、卷軸支架II固定于蒙皮支撐座平行于去流方向的一側(cè)立面上，且同樣處于側(cè)導(dǎo)流板I的下方，蒙皮卷筒固定于蒙皮卷軸外圓柱面上；還包括一蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)，所述蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)包括設(shè)置于載體航行器內(nèi)部、存儲(chǔ)有介質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)且與橫向拉伸電機(jī)相連接的一蒙皮橫向變形控制器、設(shè)置于載體航行器機(jī)體外表面上并與蒙皮橫向變形控制器相連接的一速度傳感器、一溫度傳感器、一密度傳感器和一壓強(qiáng)傳感器、以及設(shè)置于卷軸支架I上且與蒙皮橫向變形控制器相連接的一位置傳感器。
[0008]所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的 材質(zhì)是聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、模具硅橡膠。
[0009]所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的溝槽寬度在15 μ m~45 μ m。
[0010]基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝的控制方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)按載體航行器通常工作環(huán)境下的設(shè)計(jì)最高速度計(jì)算仿鯊魚(yú)減阻蒙皮發(fā)揮最佳減阻效果時(shí)的最佳溝槽寬度，并以其作為自然狀態(tài)下的初始溝槽寬度給載體航行器配置仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，最佳溝槽寬度的計(jì)算方法如公式I所示:
【權(quán)利要求】
1.基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，其特征在于，包括頭導(dǎo)流板(2)、側(cè)導(dǎo)流板I (3)、仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)、側(cè)導(dǎo)流板II (5)、尾導(dǎo)流板(6)、蒙皮支撐座(7)、橫向拉伸電機(jī)(8)、卷軸支架I (9)、蒙皮卷筒(10)、卷軸支架II (11)、蒙皮卷軸(12)，所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)為一窄溝槽型蒙皮，其上表面為溝槽面，其下表面沿垂直溝槽方向設(shè)有至少2列呈獨(dú)立排列的倒T形引腳(13)，每列引腳的數(shù)量若干，所述蒙皮支撐座(7)的下表面與載體航行器機(jī)體外表面(I)固定連接，上表面開(kāi)有至少2列倒T形滑槽(14)，所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)位于蒙皮支撐座(7 )上表面上,其處于垂直來(lái)流方向的一端與蒙皮支撐座(7 )所處垂直來(lái)流方向的一端相固定，其處于垂直來(lái)流方向的另一端繞過(guò)蒙皮支撐座(7)所處垂直來(lái)流方向另一端的圓角后固定于蒙皮卷筒(10)上，所述倒T形引腳(13)處于倒T形滑槽(14)內(nèi)并與之配合使得仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)非固定部分與蒙皮支撐座(7)上表面做滑動(dòng)連接，所述頭導(dǎo)流板(2)位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)來(lái)流端的前方，所述尾導(dǎo)流板(6)位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)去流端的后方，所述側(cè)導(dǎo)流板I (3)和側(cè)導(dǎo)流板II (5)位于仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)垂直于來(lái)流方向的兩側(cè)，頭導(dǎo)流板(2)、尾導(dǎo)流板(6)、側(cè)導(dǎo)流板I (3)、側(cè)導(dǎo)流板II(5)均固定于載體航行器機(jī)體外表面(I)上，四者的最高端與仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)抵近、齊平并共同形成順滑過(guò)渡表面，橫向拉伸電機(jī)(8)處于側(cè)導(dǎo)流板I (3)下方并與蒙皮支撐座(7)平行于去流方向的一側(cè)立面相固定，其輸出端連接蒙皮卷軸(12)的輸入端，蒙皮卷軸(12)通過(guò)卷軸支架I (9)、卷軸支架II (11)固定于蒙皮支撐座(7)平行于去流方向的一側(cè)立面上，且同樣處于側(cè)導(dǎo)流板I (3)的下方，蒙皮卷筒(10)固定于蒙皮卷軸(12)外圓柱面上；還包括一蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)，所述蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)包括設(shè)置于載體航行器內(nèi)部、存儲(chǔ)有介質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)且與橫向拉伸電機(jī)(8)相連接的一蒙皮橫向變形控制器、設(shè)置于載體航行器機(jī)體外表面(I)上并與蒙皮橫向變形控制器相連接的一速度傳感器、一溫度傳感器、一密度傳感器和一壓強(qiáng)傳感器、以及設(shè)置于卷軸支架I (9)上且與蒙皮橫向變形控制器相連接的一位置傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，其特征在于:所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)的材質(zhì)`是聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、模具硅橡膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，其特征在于:所述仿鯊魚(yú)減阻蒙皮(4)的溝槽寬度在15μηι~45μηι。
4.基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: I)按載體航行器通常工作環(huán)境下的設(shè)計(jì)最高速度計(jì)算仿鯊魚(yú)減阻蒙皮發(fā)揮最佳減阻效果時(shí)的最佳溝槽寬度，并以其作為自然狀態(tài)下的初始溝槽寬度給載體航行器配置仿鯊魚(yú)減阻鋪裝，最佳溝槽寬度的計(jì)算方法如公式I所示: 16" [Y-S' ~Jw**w?(I) 柄 其中，S為最佳溝槽寬度，K為載體航行器速度，P為介質(zhì)動(dòng)力粘度為摩阻系數(shù),通常狀態(tài)下
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝的控制方法，其特征在于:所述觸發(fā)蒙皮橫向變形控制系統(tǒng)開(kāi)始正常工作時(shí)的載體航行器最低航行速度設(shè)定在10m/s~15m/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于橫向拉伸的槽寬自適應(yīng)型仿鯊魚(yú)減阻鋪裝的控制方法，其特征在于:所述觸發(fā)蒙皮橫向變形控制器控制橫向拉伸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的載體航行器航行速度變化量設(shè)定在3m/s~5m/s。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103552653SQ201310543342
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】夏連明, 臧傳武, 邱先慧, 靳印凱, 陳亮亮, 韓鑫 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)