基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝及其控制方法

基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及工程仿生【技術領域】，具體涉及一種槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝及其控制方法。基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，包括頭導流板、側導流板I、仿鯊魚減阻蒙皮、側導流板II、尾導流板、蒙皮支撐座、縱向拉伸電機、卷軸支架I、蒙皮卷筒、卷軸支架II、蒙皮卷軸。還包括蒙皮縱向變形控制系統。由于采用上述技術方案，本發明能夠針對某一載體航行器在不同工作速度下動態、精確地進行自身溝槽寬度的調整，使得該減阻鋪裝能夠對應相應航行速度持續、自適應地發揮最佳減阻效能，達到降低載體航行器航行阻力、提高機動性和速度、提高燃料利用效率并增大航程的目的。
【專利說明】基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝及其控制方法，更特別地說，是指對制作出的寬溝槽型仿鯊魚減阻蒙皮進行動態、精確地縱向拉伸以降低其表面微溝槽的寬度進而實現自適應最佳減阻的方法，屬于工程仿生【技術領域】。
【背景技術】
[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源，有效降低其表面流體阻力、提高機動性和速度、減少能耗損失對于國民經濟和國防安全具有重要意義。在航行器表面鋪設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，鯊魚表皮上結構獨特的溝槽型微形貌因其具有優異的減阻效能，多年來一直是國內外工程仿生領域的研究熱點。
[0003]在現有技術條件下，對于仿鯊魚減阻表面的制造主要基于仿制和復制兩種手段。例如，美國專利US Patent 4930729、5386955、5606201分別公開了采用仿形加工方法成形低逼真度仿鯊魚減阻微形貌的制備方法；中國專利ZL200710117619.0、ZL200910076509.3、ZL201110261667.3、ZL201110261668.8 分別公開了采用復制成形方法制作高逼真度仿鯊魚減阻微形貌的制備方法。需要強調的是，在實際應用過程中上述仿鯊魚減阻微形貌均是固定不變的。
[0004]然而，研究表明，鯊魚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構要素，且仿生鯊魚皮為達到最佳減阻效果，不同溝槽寬度均對應一個適宜工作速度。溝槽寬度較小的仿生鯊魚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皮適合于速度較低的載體航行器減阻。因此，溝槽微形貌全程固定不變的仿生鯊魚皮顯然無法迎合載體對象的不同航行速度持續發揮最佳減阻效能，在實際使用效果方面存在局限性。目前，相關的研究已有開展，例如中國專利ZL201010232854.4公開了一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法。該方法根據應用對象的常用速度、介質粘度等參數事先調整好蒙皮的表面形貌尺寸，使仿鯊魚減阻蒙皮的減阻效果接近最佳狀態。然而，其不足之處在于:該方法只是在仿鯊魚減阻蒙皮的制作過程中做到了對溝槽尺寸的調整，旨在點對點地制作出能夠迎合載體不同工作速度的一系列減阻蒙皮，因而每個減阻蒙皮在投入應用時仍是形貌固定不變的，它并不能針對同一載體在不同工作速度下實時、自適應地進行自身溝槽寬度的調整，以保證該減阻蒙皮始終工作在最佳減阻狀態。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于，提供一種基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，以解決上述技術問題。
[0006]本發明的另一目的在于，提供一種基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝的控制方法，以解決上述技術問題。[0007]本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現:基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，其特征在于，包括頭導流板、側導流板1、仿鯊魚減阻蒙皮、側導流板I1、尾導流板、蒙皮支撐座、縱向拉伸電機、卷軸支架1、蒙皮卷筒、卷軸支架I1、蒙皮卷軸，所述仿鯊魚減阻蒙皮為一寬溝槽型蒙皮，其上表面為溝槽面，其下表面沿溝槽方向設有至少2列呈獨立排列的倒T形引腳，每列引腳的數量若干，所述蒙皮支撐座的下表面與載體航行器機體外表面固定連接，上表面開有至少2列倒T形滑槽，所述仿鯊魚減阻蒙皮位于蒙皮支撐座上表面上，其處于來流方向的一端與蒙皮支撐座所處來流方向的一端相固定，其處于去流方向的另一端繞過蒙皮支撐座所處去流方向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形滑槽內并與之配合使得仿鯊魚減阻蒙皮非固定部分與蒙皮支撐座上表面做滑動連接，所述頭導流板位于仿鯊魚減阻蒙皮來流端的前方，所述尾導流板位于仿鯊魚減阻蒙皮去流端的后方，所述側導流板I和側導流板II位于仿鯊魚減阻蒙皮垂直于來流方向的兩側，頭導流板、尾導流板、側導流板1、側導流板II均固定于載體航行器機體外表面上，四者的最高端與仿鯊魚減阻蒙皮抵近、齊平并共同形成順滑過渡表面，縱向拉伸電機處于尾導流板下方并與蒙皮支撐座朝向去流方向的一側立面相固定，其輸出端連接蒙皮卷軸的輸入端，蒙皮卷軸通過卷軸支架1、卷軸支架π固定于蒙皮支撐座朝向去流方向的一側立面上，且同樣處于尾導流板的下方，蒙皮卷筒固定于蒙皮卷軸外圓柱面上；還包括一蒙皮縱向變形控制系統，所述蒙皮縱向變形控制系統包括設置于載體航行器內部、存儲有介質物性參數數據庫且與縱向拉伸電機相連接的一蒙皮縱向變形控制器、設置于載體航行器機體外表面上并與蒙皮縱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傳感器、以及設置于卷軸支架I上且與蒙皮縱向變形控制器相連接的一位置傳感器。
[0008]所述仿鯊魚減阻蒙皮的材質是聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、模具硅橡膠。
[0009]所述仿鯊魚減阻蒙皮的溝槽寬度在50 μ m~80 μ m。
[0010]基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝的控制方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)按照載體航行器通常工作環境下、寄希望其開始發揮最佳減阻作用的設計最低巡航速度，計算仿鯊魚減阻蒙皮發揮最佳減阻效果時的最佳溝槽寬度，并以其作為自然狀態下的初始溝槽寬度給載體航行器配置仿鯊魚減阻鋪裝，最佳溝槽寬度的計算方法如公式I所示:
【權利要求】
1.基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，其特征在于，包括頭導流板(2)、側導流板I (3)、仿鯊魚減阻蒙皮(4)、側導流板II (5)、尾導流板(6)、蒙皮支撐座(7)、縱向拉伸電機(8)、卷軸支架I (9)、蒙皮卷筒(10)、卷軸支架II (11)、蒙皮卷軸(12)，所述仿鯊魚減阻蒙皮(4)為一寬溝槽型蒙皮，其上表面為溝槽面，其下表面沿溝槽方向設有至少2列呈獨立排列的倒T形引腳(13)，每列引腳的數量若干，所述蒙皮支撐座(7)的下表面與載體航行器機體外表面(I)固定連接，上表面開有至少2列倒T形滑槽(14)，所述仿鯊魚減阻蒙皮(4)位于蒙皮支撐座(7 )上表面上,其處于來流方向的一端與蒙皮支撐座(7 )所處來流方向的一端相固定，其處于去流方向的另一端繞過蒙皮支撐座(7)所處去流方向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)內并與之配合使得仿鯊魚減阻蒙皮(4)非固定部分與蒙皮支撐座(7)上表面做滑動連接，所述頭導流板(2)位于仿鯊魚減阻蒙皮(4)來流端的前方，所述尾導流板(6)位于仿鯊魚減阻蒙皮(4)去流端的后方，所述側導流板I (3)和側導流板II (5)位于仿鯊魚減阻蒙皮(4)垂直于來流方向的兩側，頭導流板(2)、尾導流板(6)、側導流板I (3)、側導流板II (5)均固定于載體航行器機體外表面(I)上，四者的最高端與仿鯊魚減阻蒙皮(4)抵近、齊平并共同形成順滑過渡表面，縱向拉伸電機(8 )處于尾導流板(6 )下方并與蒙皮支撐座(7 )朝向去流方向的一側立面相固定，其輸出端連接蒙皮卷軸(12)的輸入端，蒙皮卷軸(12)通過卷軸支架I (9)、卷軸支架II (11)固定于蒙皮支撐座(7)朝向去流方向的一側立面上，且同樣處于尾導流板(6)的下方，蒙皮卷筒(10)固定于蒙皮卷軸(12)外圓柱面上；還包括一蒙皮縱向變形控制系統，所述蒙皮縱向變形控制系統包括設置于載體航行器內部、存儲有介質物性參數數據庫且與縱向拉伸電機(8)相連接的一蒙皮縱向變形控制器、設置于載體航行器機體外表面(I)上并與蒙皮縱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傳感器、以及設置于卷軸支架I (9)上且與蒙皮縱向變形控制器相連接的一位置傳感器。
2.根據權利要求1所述的基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，其特征在于:所述仿鯊魚減阻蒙皮(4)的材質是聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、模具硅橡膠。
3.根據權利要求1所述的基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝，其特征在于:所述仿鯊魚減阻蒙皮(4)的溝槽寬度在50 μ m~80 μ m。
4.基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: I)按照載體航行器通常工作環境下、寄希望其開始發揮最佳減阻作用的設計最低巡航速度，計算仿鯊魚減阻蒙皮發揮最佳減阻效果時的最佳溝槽寬度，并以其作為自然狀態下的初始溝槽寬度給載體航行器配置仿鯊魚減阻鋪裝，最佳溝槽寬度的計算方法如公式I所示:
5.根據權利要求4所述的基于縱向拉伸的槽寬自適應型仿鯊魚減阻鋪裝的控制方法，其特征在于:所述觸發蒙皮縱 向變形控制器控制縱向拉伸電機運轉的載體航行器航行速度變化量設定在3m/s~5m/s。
【文檔編號】B63B1/34GK103552652SQ201310542639
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】夏連明, 邱先慧, 臧傳武, 陳亮亮, 靳印凱, 韓鑫 申請人:山東理工大學