一種用于水面水下航行器的減阻裝置及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于水面水下航行器的減阻裝置及其制備方法，屬于船舶制造技術領域。本發明所提供的減阻裝置包括平行設置的盾鱗層和支撐層，以及位于盾鱗層和支撐層之間的緩釋層，其中，在支撐層上加工有通道層，盾鱗層表面設有與緩釋層連通的溢出孔，緩釋層通過連通孔與通道層連通，緩釋層包括多個呈鋸齒狀的迷宮流道，通道層由寬度不同呈樹枝狀分布的多級通道組成，寬度最小的通道通過連通孔與緩釋層連通。同時本發明還提供了制備減阻裝置的方法。用本發明的制作方法制成的高逼真仿鯊魚減阻結構，不僅具有高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌，而且可緩釋減阻劑，從而實現鱗片溝槽與自潤滑粘液的高效耦合減阻效應。
【專利說明】
一種用于水面水下航行器的減阻裝置及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于水面水下航行器的減阻裝置及其制備方法，屬于船舶制造技術領域。
【背景技術】
[0002]鯊魚屬于典型的可高速游動的軟骨魚類。鯊魚成菱形連續鋪排的盾狀鱗片以及高速機動時鱗下表皮瞬時分泌出的黏液是鯊魚快速游動的主要原因。為了節省能量鯊魚每次所分泌的粘液量通常很少，只在鱗片表面形成一層高分子薄膜，且該薄膜隨消耗隨補充，是一種緩慢釋放的過程。鯊魚表皮溝槽微形貌與粘液微緩釋共同構成了復合減阻的“鯊魚皮效應”，因此，復制鯊魚盾鱗溝槽微觀形貌、模仿鯊魚皮減阻機理、制造高逼真仿生減阻表面對于降低航行器的流體阻力、提高速度和機動性、增大航程具有重要的現實意義。
[0003]目前在水下航行器仿鯊魚減阻領域，主要采用仿形溝槽(如V形、U形、L形)替代鯊魚鱗片溝槽，用水溶性減阻劑代替鯊魚黏液，并將后者直接合成或涂覆于前者表面而展開，有一定的減阻率，但該種仿鯊魚減阻結構存在鱗片溝槽不逼真、緩釋效果差或無緩釋效果、減阻劑釋放量大不易補充等問題，不僅減阻效率有待提高，而且使用維護成本相對較高。
[0004]3D打印作為一種新型的加工技術，在仿生領域因其打印精度高、打印材料可功能性組合、可成型復雜結構等優點而得到廣泛的應用，利用3D打印技術可實現仿鯊魚微結構的精確復制，達到外觀上的一致性。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術中水下水面航行器減阻裝置減阻效率低，維護成本高，減阻劑緩釋效果差的技術問題，本發明提供了一種用于水面水下航行器的減阻裝置，所采取的技術方案如下:
[0006]本發明的目的在于提供一種用于水面水下航行器的減阻裝置，該減阻裝置包括平行設置的盾鱗層和支撐層，以及位于盾鱗層和支撐層之間的緩釋層，其中，在支撐層上加工有通道層，盾鱗層表面設有與緩釋層連通的溢出孔，緩釋層通過連通孔與通道層連通，緩釋層包括多個呈鋸齒狀的迷宮流道，通道層由寬度不同呈樹枝狀分布的多級通道組成，寬度最小的通道通過連通孔與緩釋層連通。
[0007]優選地，所述緩釋層I所在平面與盾鱗層10平行。
[0008]優選地，所述通道層12分為寬度依次遞減的I級通道5，II級通道6和III級通道7，其中，I級通道5通過II級通道6與III級通道7連接。
[0009]更優選地，所述I級通道5寬度為8?10mm，深度為I?2mm;所述II級通道6寬度為4?6_，深度為I?2mm;所述III級通道7寬度為2?3mm，深度為I?1.5mm;所述I級通道5每平方分米2?3條;所述II級通道6每平方分米6?8條;所述III級通道7每平方分米12?16條。
[0010]優選地，所述迷宮流道3通過迷宮流道進水口 2的連通孔8連通，通過迷宮流道出水孔4與溢出孔9連通；所述迷宮流道進水口 2和迷宮流道出水孔4的長度和寬度為1.0?1.5mm;鄰近的迷宮流道3通過相互咬合的方式形成緩釋層1.[0011 ] 更優選地，所述迷宮通道3的單個鋸齒為底邊長0.4?0.6mm，高為0.8?I.2mm，厚度為0.5?0.8mm的等腰三角形;相鄰鋸齒，間距為0.1-0.2mm，鋸齒數量為12?16個。
[0012]優選地，所述迷宮流道3每平方分米30?40個，所述連通孔8的直徑為0.8?1.2mm，數量與迷宮流道3的個數相同。
[0013]優選地，盾鱗層10的外表面到支撐層11的外表面的距離為3?5mm。
[0014]本發明的另一目的在于提供一種以上所述減阻裝置的制備方法，該制備方法的步驟如下:
[00?5] I)利用電子顯微鏡獲取藍魚表皮的微觀形貌結構；
[0016]2)根據步驟I)獲得的微觀形貌結構建立3D打印模型；
[0017]3)利用3D打印技術打印出盾鱗層、支撐層、流通層的各級通道、連通孔和緩釋層的主體結構；
[0018]4)利用飛秒激光技術加工緩釋層的迷宮通道和盾鱗層的溢出孔，加工完后獲得減阻裝置。
[0019]優選地，步驟4)飛秒激光加工時的技術參數為:激光波長400?800nm，功率80?100MW，加工速度為15?20ym/s。
[0020]本發明獲得的有益效果:
[0021]用本發明的制作方法制成的高逼真仿鯊魚減阻結構，不僅具有高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌，而且可緩釋減阻劑，從而實現鱗片溝槽與自潤滑粘液的高效耦合減阻效應。
[0022]滴灌是一種精確灌溉農業的高新技術，有著廣闊的應用前景，為保證灌溉質量，滴灌裝置開設有迷宮流道，起到緩慢釋放液體的作用。發明人偶然間受到農業滴灌技術的啟發，創造性地將農業精確灌溉領域的技術與仿生技術相結合應用到水面水下航行設備技術領域，達到了對鯊魚皮內部結構的高度仿生，結合飛秒激光加工技術加工出迷宮流道，作為減阻劑的通道，起到微緩釋作用。
[0023]由于緩釋層內部迷宮流道尺寸小，加工精度要求高，普通加工方式難以滿足要求。飛秒激光具有極短的脈沖寬度、極高的峰值能量，能夠聚焦到透明介質內部，可以實現三維空間內幾乎任意形狀的加工。飛秒激光的加工過程主要表現為對材料的燒蝕，材料直接氣化，因此激光光斑的能量密度須超過材料的損傷閾值。根據飛秒激光高斯光斑特性，通過控制峰值能量，進而控制加工區域，實現了微米級的精加工。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的減阻裝置的整體結構示意圖。
[0025]圖2為本發明減阻裝置的省略盾鱗的盾鱗層俯視圖。
[0026]圖3為本發明減阻裝置省略支撐層后的仰視結構示意圖。
[0027]圖4為本發明減阻裝置省略盾鱗后的截面結構示意圖。
[0028]圖5為本發明迷宮通道的結構示意圖。
[0029]圖6為制備本發明減阻裝置的方法流程示意圖。
[0030]圖中，1，緩釋層;2，迷宮流道進水口；3，迷宮流道;4，迷宮流道出水口；5，1級通道；6，II級通道;7，III級通道;8，連通孔;9，溢出孔;10，盾鱗層；11，支撐層；12，通道層。
【具體實施方式】
[0031]下面結合具體附圖對本發明做進一步詳細說明，但以下詳細說明不是對本發明的進一步限制。
[0032]圖1為本發明所提供的減阻裝置的整體結構示意圖。圖2為本發明減阻裝置的省略盾鱗的盾鱗層俯視圖。圖3為本發明減阻裝置省略支撐層后的仰視結構示意圖。圖4為本發明減阻裝置省略盾鱗后的截面結構示意圖。圖5為本發明迷宮通道的結構示意圖。
[0033]從圖1-5中可知，該減阻裝置的上表面為盾鱗層10，下表面為支撐層11，緩釋層I位于盾鱗層10和支撐層11之間，在支撐層11上加工有通道層12。在盾鱗層10上分布有用于釋放減阻劑的溢出孔9。其中，通道層12便于減阻劑的流通，而緩釋層I則通過其內部的迷宮流道3緩釋減阻劑。
[0034]其中，通道層12分為寬度依次減小的I級通道5，II級通道6和III通道7。111級通道7通過連通孔8與緩釋層I連通。緩釋層I是由多組多個呈鋸齒狀的迷宮流道3組成。迷宮流道3的兩端分別設有迷宮流道出水口 4和迷宮流道進水口 2。迷宮流道進水口 2通過連通孔8與通道層12連通，迷宮流道出水孔4通過溢出孔9將減阻劑釋放到減阻裝置外。
[0035]整個減阻裝置的厚度，即從盾鱗層10的外表面到支撐層11的外表面的距離為3?5_。采用這種尺寸設計，可以使仿鯊魚減阻微結構在使用過程中，即具有一定強度，又不至于過重。盾鱗層10上的溢出孔均勻分布，數量為每平方分米30?40個。支撐層11上加工出的通道層12中I級通道5的寬度8mm?10mm，深度為Imm?2mm，數量為每平方分米2?3條。Π級通道6的寬度為4mm?6mm，深度為Imm?2mm。Π級通道6與I級通道5相連，且Π級通道6的數量為每平方分米6?8條。ΙΠ級通道7的寬度為2mm?3mm，深度為Imm?I.5mm，ΙΠ級通道7與Π級通道6相連，ΙΠ級通道7的數量為每平方分米12?16條。連通孔8的直徑為0.8mm?1.2mm,且均勾分布，每平方分米30?40個。連通孔8的數量與迷宮流道3的數量相同。
[0036]迷宮流道3的出水孔和進水孔的長度和寬度控制在1.0?1.5mm之間。相鄰的迷宮流道3通過相互咬合形成緩釋層I。其中迷宮流道3的單個鋸齒結構為底邊長0.4mm?0.6_，高為0.8mm?1.2mm，厚度為0.5mm?0.8mm的等腰三角形狀。迷宮流道3的長度為8mm?10_，寬度為1.5mm?2mm，深度為0.5mm?0.8mm，相鄰的據齒間距為0.1?0.2mm，據齒數量為12?16個。與迷宮流道3出口連通的溢出孔9的直徑為0.8mm?1.2mm。
[0037]實施例1
[0038]本實施例提供了一種制備本發明減阻裝置的方法，該方法的流程如圖6所示，具體步驟如下:
[0039]第一步:鯊魚表皮微觀形貌的獲取
[0040]利用電子顯微鏡獲取鯊魚表皮微觀形貌。
[0041 ] 第二步:3D打印模型的建立
[0042]根據第一步獲得的微觀形貌結構，構建鯊魚表皮微觀結構3D打印模型，為3D打印做準備。
[0043]第三步:3D打印玻璃制作高逼真鯊魚減阻微結構主體
[0044]利用3D打印技術和玻璃線材，制作出仿鯊魚減阻微結構，制作出邊長為1cm的正方形結構，仿鯊魚減阻微結構背面制作有減阻劑通道層12和連通孔8。
[0045]仿鯊魚減阻微結構的厚度為4mm。
[0046]通道采用長條形，I級通道5寬8mm，深1mm，II級通道6寬5mm，深1mm，III級通道7寬2mm，深Imm0
[0047]通道均勻分布，I級通道5平行開設2條，間隔50mm，II級通道6與I級通道5相連通，開設6條，III級通道7與II級通道6相聯通，開設14條。
[0048]在III級通道7內設有聯通仿鯊魚減阻微結構背面與迷宮流道3的連通孔8，孔徑1mm，均勾分布，開設有35個，深度0.5mm。
[0049]第四步:迷宮流道的制作
[0050]將所得的仿鯊魚減阻微結構主體利用飛秒激光加工迷宮流道3，用于緩釋減阻劑。采用蒸餾水輔助以保證加工前段光路的完整性，同時由于毛細作用，水會進入已加工的微孔，及時帶走玻璃的燒蝕碎肩。
[0051 ] 飛秒激光的波長為400nm，功率為80mw，加工速度為15ym/s。
[0052]迷宮流道長度為10mm，寬度為1.6mm，深度為0.5mm。
[0053]迷宮流道進水口 2長為1.8mm，寬為1.6mm，出水口 4長為1.5mm，寬為1.6mm。
[0054]迷宮流道3為由均勻分布的鋸齒相互咬合形成迷宮，鋸齒為底邊長0.6mm，高為1mm，厚度為0.5mm的等腰三角形狀，鋸齒個數14個。
[0055]減阻劑溢出孔9的直徑為1.0mm，與迷宮流道出水孔4相聯通，均勻分布35個。
[0056]采用制備出的減阻結構驗證水面航行和減阻劑緩釋效果，結果IL減阻劑作用在ImH亥裝置上，該裝置的水體有效減阻為10%，減阻劑緩釋時間為15天。
[0057]實施例2
[0058]本實施例提供了一種減阻裝置的制備方法，與實施例1的不同在于:
[0059]飛秒激光加工時的技術參數為:波長800nm，功率100mW，加工速度為20ym/s。
[0060]加工出的支撐層11上I級通道5的寬度10_，深度為2mm，數量為每平方分米3條。Π級通道6的寬度為6_，深度為條。ΙΠ級通道7的寬度為3mm，深度為1.5_，連通孔8的數量與迷宮流道3的數量相同。
[0061 ]迷宮流道3的單個鋸齒結構為底邊長0.4mm，高為1.2mm，厚度為0.8mm的等腰三角形狀。迷宮流道3的長度為1mm，寬度為I.5mm，深度為0.8mm，相鄰的鋸齒間距為0.Imm，鋸齒數量為16個。與迷宮流道3出口連通的溢出孔9的直徑為1.0_。
[0062]采用制備出的減阻結構驗證水面航行和減阻劑緩釋效果，結果IL減阻劑作用在ImH亥裝置上，該裝置的水體有效減阻為13%，減阻劑緩釋時間為20天。
[0063]采用該種方法制作的仿鯊魚結構，不僅在外觀上具有逼真的形貌，而且在結構內部具有迷宮流道，可緩慢釋放減阻劑，形成減阻效果更好的復合減阻模式。IL減阻劑作用在lm2該裝置可維持緩釋效果15?20天，在水體有效減阻10 %?13%。與同樣面積的發明人在先設計的減阻結構(201110261668.8)相比，雖然其減阻效率達到12?14%，稍高于本申請，這可能與其減阻劑大量補充有關，但是在先設計的減阻結構由于沒有緩釋層，IL減阻劑在I?2天內就全部使用完畢，其所用時間過短，需要大量的減阻劑作為后備予以補充。本申請在基本保證減阻效率不降低的情況下，有效地大幅度延長了減阻劑的緩釋時間，緩釋時間最多可延長20倍。
[0064]雖然本發明已以較佳的實施例公開如上，但其并非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做各種改動和修飾，因此本發明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。
【主權項】
1.一種用于水面水下航行器的減阻裝置，其特征在于，包括平行設置的盾鱗層(10)和支撐層(11)，以及位于盾鱗層(10)和支撐層(11)之間的緩釋層(I)，其中，在支撐層(11)上加工有通道層(12)，盾鱗層(10)表面設有與緩釋層(I)連通的溢出孔(9)，緩釋層(I)通過連通孔(8)與通道層(12)連通，緩釋層(I)包括多個呈鋸齒狀的迷宮流道(3)，通道層(12)由寬度不同呈樹枝狀分布的多級通道組成，寬度最小的通道通過連通孔(8)與緩釋層(I)連通。2.權利要求1所述的減阻裝置，其特征在于，所述緩釋層(I)所在平面與盾鱗層(10)平行。3.權利要求1所述的減阻裝置，其特征在于，所述通道層(12)分為寬度依次遞減的I級通道(5)，11級通道(6)和III級通道(7)，其中，I級通道(5)通過II級通道(6)與III級通道(7)連接。4.權利要求3所述的減阻裝置，其特征在于，所述I級通道(5)寬度為8?10mm，深度為I?2mm;所述II級通道(6)寬度為4?6mm，深度為I?2mm;所述III級通道(7)寬度為2?3mm，深度為I?1.5mm;所述I級通道(5)每平方分米2?3條;所述II級通道(6)每平方分米6?8條;所述III級通道(7)每平方分米12?16條。5.權利要求1所述的減阻裝置，其特征在于，所述迷宮流道(3)通過迷宮流道進水口(2)的連通孔(8)連通，通過迷宮流道出水孔(4)與溢出孔(9)連通;所述迷宮流道進水口(2)和迷宮流道出水孔(4)的長度和寬度為1.0?1.5_;鄰近的迷宮流道(3)通過相互咬合的方式形成緩釋層(I)。6.權利要求5所述的減阻裝置，其特征在于，所述迷宮通道(3)的單個鋸齒為底邊長0.4?0.6mm，高為0.8?1.2mm，厚度為0.5?0.8mm的等腰三角形;相鄰鋸齒，間距為0.1-0.2mm，鋸齒數量為12?16個。7.權利要求1所述的減阻裝置，其特征在于，所述迷宮流道(3)每平方分米30?40個，所述連通孔(8)的直徑為0.8?1.2mm，數量與迷宮流道(3)的個數相同。8.權利要求1所述的減阻裝置，其特征在于，盾鱗層(10)的外表面到支撐層(11)的外表面的距離為3?5mm。9.一種權利要求1-8任一所述減阻裝置的制備方法，其特征在于，步驟如下: 1)利用電子顯微鏡獲取藍魚表皮的微觀形貌結構； 2)根據步驟I)獲得的微觀形貌結構建立3D打印模型； 3)利用3D打印技術打印出盾鱗層、支撐層、流通層的各級通道、連通孔和緩釋層的主體結構； 4)利用飛秒激光技術加工緩釋層的迷宮通道和盾鱗層的溢出孔，加工完后獲得減阻裝置。10.權利要求9所述的制備方法，其特征在于，步驟4)飛秒激光加工時的技術參數為:激光波長400?800nm，功率80?100MW，加工速度為15?20ym/s。
【文檔編號】C03B19/00GK106043591SQ201610422330
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】韓鑫, 孫延剛, 趙德楠, 高憲成, 王政皓
【申請人】山東理工大學