展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，包括仿生尾鰭、PLC控制器、電機(jī)、水槽、測(cè)試裝置、導(dǎo)輪和PIV測(cè)試系統(tǒng)；所述仿生尾鰭的內(nèi)部設(shè)置有展向孔和壓力傳感器，所述展向孔內(nèi)固定有金屬線材，所述卷繞裝置與電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述PLC控制器通過(guò)傳輸導(dǎo)線與壓力傳感器和電機(jī)相連接，所述水槽的左上方安裝有水泵，所述擴(kuò)散孔與導(dǎo)流板之間安裝有第一蜂窩整流板，所述測(cè)試裝置安裝在示蹤粒子注入口和第二蜂窩整流板之間，所述導(dǎo)輪與導(dǎo)桿通過(guò)L型連桿連接，所述導(dǎo)桿與仿生尾鰭連接。本發(fā)明具有高推進(jìn)效率，低噪音的優(yōu)點(diǎn)；高效率的振動(dòng)翼推進(jìn)器能夠大大節(jié)省能量，提高續(xù)航能力，用于水中探測(cè)時(shí)就能延長(zhǎng)工作時(shí)間。
【專利說(shuō)明】
展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及仿生設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體為展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與 性能研究裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 海豚是由陸生哺乳動(dòng)物進(jìn)化而成，它的祖先屬偶蹄目，于5000萬(wàn)年前進(jìn)入水中生 活，在這個(gè)過(guò)程中，它們?cè)颈幻捏w表變成了光滑的皮膚，并在皮膚下形成了一層很厚的 脂肪層，以達(dá)到隔絕冷水保持體溫的功能，它的身體也變?yōu)榱骶€型，外耳結(jié)構(gòu)逐漸消失，使 之減少了游泳時(shí)的阻力，鼻子也進(jìn)化為頭頂部的呼吸孔，這使它更便于在運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸。
[0003] 海豚的主要推進(jìn)器官是新月形尾鰭，依靠擺動(dòng)尾鰭，海豚最高速度可達(dá)15m/s。對(duì) 于海豚的高速游動(dòng)最早在1936年，Gray通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提出了著名的Gray悼論（Gray ' s Paradox)，他通過(guò)比較游速為15-20節(jié)的活體海豚和以同樣速度拖弋海豚模型所消耗的能 量，發(fā)現(xiàn)后者大約是前者的7倍，因而推測(cè)活體海豚具有減小水阻力的能力。
[0004] 海豚尾鰭運(yùn)動(dòng)是俯仰運(yùn)動(dòng)和沉浮運(yùn)動(dòng)的組合，沉浮運(yùn)動(dòng)主要產(chǎn)生擊水運(yùn)動(dòng)，而俯 仰運(yùn)動(dòng)為尾鰭的擊水運(yùn)動(dòng)提供合適的攻角。海豚的游動(dòng)模式類似魚類游動(dòng)模式中的鮪科模 式，在該模式中，身體的前部基本失去柔性，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)僅限于身體的后1/3部分，特別是尾鰭 至尾柄處，通常尾部運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生90 %的推進(jìn)力。鮪科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式是效率最高， 速度最快的推進(jìn)方式，除海豚外金槍魚，旗魚等高速魚類也采用這種游泳方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置， 以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題，所具有的有益效果是；具有高推進(jìn)效率，低噪音等優(yōu) 點(diǎn)；高效率的振動(dòng)翼推進(jìn)器能夠大大節(jié)省能量，提高續(xù)航能力，用于水中探測(cè)時(shí)就能延長(zhǎng)工 作時(shí)間;低噪音減小了對(duì)周遭的噪聲污染。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭 設(shè)計(jì)與性能研究裝置，包括仿生尾鰭、PLC控制器、電機(jī)、水槽、測(cè)試裝置、導(dǎo)輪和PIV測(cè)試系 統(tǒng);所述仿生尾鰭的內(nèi)部設(shè)置有展向孔和壓力傳感器，且仿生尾鰭的右端面上安裝有仿生 脊背，所述展向孔內(nèi)固定有金屬線材，且金屬線材穿過(guò)仿生脊背與卷繞裝置連接，所述卷繞 裝置與電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述PLC控制器通過(guò)傳輸導(dǎo)線與壓力傳感器和電機(jī)相連 接，所述水槽的左上方安裝有水栗，且水栗上設(shè)置有擴(kuò)散口，所述擴(kuò)散孔與導(dǎo)流板之間安裝 有第一蜂窩整流板，且導(dǎo)流板的左下方安裝有第二蜂窩整流板，所述測(cè)試裝置安裝在示蹤 粒子注入口和第二蜂窩整流板之間，所述導(dǎo)輪與導(dǎo)桿通過(guò)L型連桿連接，且導(dǎo)輪的左側(cè)安裝 有測(cè)力傳感器，所述導(dǎo)桿與仿生尾鰭連接。
[0007] 優(yōu)選的，所述電機(jī)固定安裝在固定架上，且電機(jī)上安裝有接線盒。
[0008] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)輪與導(dǎo)輪軸固定連接，且導(dǎo)輪軸上裝有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，所述導(dǎo)輪 的頂部與線性滑軌滑動(dòng)連接。
[0009]優(yōu)選的，所述仿生尾鰭的下方和右上方設(shè)置有PIV測(cè)試系統(tǒng)。
[0010]優(yōu)選的，所述導(dǎo)桿有兩條。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:利用仿生學(xué)的原理，開發(fā)了振動(dòng)翼推進(jìn)裝 置。與傳統(tǒng)的螺旋槳相比，仿生的振動(dòng)翼推進(jìn)器主要具有高推進(jìn)效率，低噪音等優(yōu)點(diǎn)；高效 率的振動(dòng)翼推進(jìn)器能夠大大節(jié)省能量，提高續(xù)航能力，用于水中探測(cè)時(shí)就能延長(zhǎng)工作時(shí)間； 低噪音減小了對(duì)周遭的噪聲污染，用于軍事目的時(shí)更不易被發(fā)現(xiàn);高性能的振動(dòng)翼推進(jìn)器 無(wú)論在復(fù)雜海洋環(huán)境下海底探測(cè)，水下作業(yè)，還是軍事用途都有極其重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明仿生尾鰭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明水槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中：1-仿生尾鰭；2-展向孔;3-壓力傳感器;4-傳輸導(dǎo)線；5-PLC控制器;6-固定 架;7-電機(jī);8-傳動(dòng)軸;9-卷繞裝置;10-仿生脊背；11-金屬線材；12-水栗；13-擴(kuò)散口； 14-第 一蜂窩整流板；15-水槽；16-導(dǎo)流板；17-示蹤粒子注入口； 18-測(cè)試裝置；19-第二蜂窩整流 板;20-線性滑軌;21-測(cè)力傳感器;22-導(dǎo)輪;23-L型連桿;24-導(dǎo)桿;25-PIV系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0017] 請(qǐng)參閱圖1-3,本發(fā)明提供的一種實(shí)施例:展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì) 與性能研究裝置，包括仿生尾鰭1、PLC控制器5、電機(jī)7、水槽15、測(cè)試裝置18、導(dǎo)輪22和PIV測(cè) 試系統(tǒng)25;仿生尾鰭1的內(nèi)部設(shè)置有展向孔2和壓力傳感器3,且仿生尾鰭1的右端面上安裝 有仿生脊背10,展向孔2內(nèi)固定有金屬線材11，且金屬線材11穿過(guò)仿生脊背10與卷繞裝置9 連接，卷繞裝置9與電機(jī)7通過(guò)傳動(dòng)軸8轉(zhuǎn)動(dòng)連接，PLC控制器5通過(guò)傳輸導(dǎo)線4與壓力傳感器3 和電機(jī)7相連接，水槽15的左上方安裝有水栗12,且水栗12上設(shè)置有擴(kuò)散口 13,擴(kuò)散孔13與 導(dǎo)流板16之間安裝有第一蜂窩整流板14,且導(dǎo)流板16的左下方安裝有第二蜂窩整流板19， 測(cè)試裝置18安裝在示蹤粒子注入口 17和第二蜂窩整流板19之間，導(dǎo)輪22與導(dǎo)桿24通過(guò)L型 連桿23連接，且導(dǎo)輪22的左側(cè)安裝有測(cè)力傳感器21，導(dǎo)輪22的頂部與線性滑軌20滑動(dòng)連接， 導(dǎo)桿24與仿生尾鰭1連接，電機(jī)7固定安裝在固定架6上，且電機(jī)7上安裝有接線盒，導(dǎo)輪22與 導(dǎo)輪軸固定連接，且導(dǎo)輪軸上裝有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，仿生尾鰭1的下方和右上方設(shè)置有PIV 測(cè)試系統(tǒng)25，導(dǎo)桿24有兩條。
[0018] 工作原理;使用時(shí)，從測(cè)試區(qū)下游的示蹤粒子注入口 17注入含示蹤粒子的水，仿生 尾鰭1的尾渦流場(chǎng)由PIV測(cè)試系統(tǒng)25進(jìn)行分析，PIV測(cè)試系統(tǒng)25中的PIV技術(shù)是流體力學(xué)測(cè)量 研究中重要的技術(shù)，能夠直觀地了解流場(chǎng)結(jié)構(gòu);運(yùn)用PIV技術(shù)可視化仿生尾鰭1尾渦的產(chǎn)生 和脫落過(guò)程以及尾流速度場(chǎng)和尾渦渦量，進(jìn)而對(duì)仿生尾鰭1的水力學(xué)特征進(jìn)行評(píng)價(jià);振動(dòng)翼 的推進(jìn)效率η定義為：：
其中M(t)為導(dǎo)輪軸扭矩，τ為周期，ρ (t)為推力，U為來(lái)流速度，M0為無(wú)振動(dòng)翼時(shí)導(dǎo)輪軸扭矩，ω為導(dǎo)輪22角速度，P(t)為控制系 統(tǒng)功率，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算可知，實(shí)施前的技術(shù)指標(biāo)低于40%，實(shí)施后的指標(biāo)技術(shù)遠(yuǎn)大于 60%，可見仿生尾鰭1的設(shè)計(jì)和性能的研究，具有重大意義。
[0019]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論 從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，包括仿生尾鰭（1)、PLC控 制器(5)、電機(jī)(7)、水槽（15)、測(cè)試裝置（18)、導(dǎo)輪(22)和PIV測(cè)試系統(tǒng)(25);其特征在于:所 述仿生尾鰭（1)的內(nèi)部設(shè)置有展向孔(2)和壓力傳感器(3)，且仿生尾鰭（1)的右端面上安裝 有仿生脊背（10)，所述展向孔(2)內(nèi)固定有金屬線材（11)，且金屬線材（11)穿過(guò)仿生脊背 (10)與卷繞裝置(9)連接，所述卷繞裝置(9)與電機(jī)(7)通過(guò)傳動(dòng)軸(8)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述PLC控 制器(5)通過(guò)傳輸導(dǎo)線(4)與壓力傳感器(3)和電機(jī)(7)相連接，所述水槽(15)的左上方安裝 有水栗（12)，且水栗（12)上設(shè)置有擴(kuò)散口（13 )，所述擴(kuò)散孔（13)與導(dǎo)流板（16)之間安裝有 第一蜂窩整流板（14)，且導(dǎo)流板（16)的左下方安裝有第二蜂窩整流板（19)，所述測(cè)試裝置 (18)安裝在示蹤粒子注入口（17)和第二蜂窩整流板(19)之間，所述導(dǎo)輪(22)與導(dǎo)桿(24)通 過(guò)L型連桿(23)連接，且導(dǎo)輪(22)的左側(cè)安裝有測(cè)力傳感器(21)，所述導(dǎo)桿(24)與仿生尾鰭 (1)連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，其 特征在于:所述電機(jī)(7)固定安裝在固定架(6)上，且電機(jī)(7)上安裝有接線盒。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，其 特征在于:所述導(dǎo)輪(22)與導(dǎo)輪軸固定連接，且導(dǎo)輪軸上裝有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，所述導(dǎo)輪 (22)的頂部與線性滑軌(20)滑動(dòng)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，其 特征在于:所述仿生尾鰭（1)的下方和右上方設(shè)置有PIV測(cè)試系統(tǒng)(25)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的展向剛度被動(dòng)控制的仿生海豚尾鰭設(shè)計(jì)與性能研究裝置，其 特征在于:所述導(dǎo)桿(24)有兩條。
【文檔編號(hào)】B63H1/36GK106081033SQ201610396580
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日 公開號(hào)201610396580.X, CN 106081033 A, CN 106081033A, CN 201610396580, CN-A-106081033, CN106081033 A, CN106081033A, CN201610396580, CN201610396580.X
【發(fā)明人】孫啟龍, 馬聰, 姚理榮, 嚴(yán)雪峰
【申請(qǐng)人】南通大學(xué)