一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201710227922.X | 申请日 | 2017-04-10 | 公开(公告)号 | CN106945782A | 公开(公告)日 | 2017-07-14 |
| 申请人 | 江苏科技大学; | 发明人 | 周宏根; 杨洋; 田桂中; 李磊; 李纯金; 李国超; 刘金锋; 景旭文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种仿河豚表皮形貌的 水 下减阻表面及制作方法，包括基底、硬质减阻元和柔性 覆盖 层 ，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。本发明的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，采用锥状或柱状的硬质减阻元，不同于现有的肋条状沟槽结构；基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。 |
||||||
| 说明书全文 | 一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法技术领域[0001] 本发明涉及仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法，属于水下仿生减阻领域。 背景技术[0002] 船舶、潜艇、鱼雷等水中航行器航行过程中存在压差阻力、表面摩擦阻力和兴波阻力，随着形体设计与优化的发展，压差阻力和兴波阻力控制技术日趋完善，表面摩擦阻力减小已成为解决水下航行器减阻增效增程问题的重要渠道，基于水生物种游动性能的仿生减阻技术是一种有效的技术手段。 [0003] 现有表面减阻技术以鲨鱼为仿生对象，包括仿鲨鱼盾鳞沟槽的肋条非光滑表面(ZL201410061037.5、ZL201110270722.5等)、仿鲨鱼表皮粘液的复合减阻表面(ZL201110261668.8、ZL201210120754.1等)及制作方法(ZL200810150487.6、申请号201510839579.5、申请号201610422330.9等)。以专利ZL201110261668.8为例，所述即时缓释减阻剂的高逼真仿鲨鱼减阻结构及其制作方法中，公开了其仿鲨鱼减阻结构，包括仿鲨鱼皮层、储液罐、液压泵、缓释电液控制系统等单元，其中上表面为仿鲨鱼鳞的蒙皮以及下表面挖有的凹槽，通过凹槽作为减阻剂的传送通道，上下表面通过通孔连接。通过仿鲨鱼鳞片沟槽形貌和仿鲨鱼高速运动下分泌减阻液耦合作用以实现减阻的功效，但是这种结构运用于实际中，存在一些问题：(1)这种在航行器表面设置仿鲨鱼蒙皮的结构，其内部又含有电路控制系统，其设计相对复杂，同时电路控制系统的布局、电子元件的连接以及在大尺寸的航行器上的使用都会受到制约；(2)要保证内部储液罐与外部通孔的通畅，实现的难度较大，不具有实际意义，一旦内外缓释电液的通道堵塞将会失去仿鲨鱼高速运动下分泌粘液减阻这一效果；(3)制作成本和运营成本较高，水下航行器无论尺寸大小若使用该种减阻方式都会在航行器表面布置大量的所述缓释电液控制系统中的电子元件，其制作安装成本和后期运营维护成本过高，一旦某一部件出现问题，整个系统将无法运营；(4)安装缓释电液控制系统虽然在原理上更加贴合于实际鲨鱼在高速运动中的减阻行为，但内部装有控制系统的表面势必会对上表面的仿鲨鱼鳞蒙皮结构实现减阻效果造成影响，反而制约了仿鲨鱼鳞非光滑结构的减阻作用。 [0004] 此外，还有仿贝壳表面的防污减阻协同表面(申请号201510095154.8)、人字形减阻表面(申请号201510031183.8)、成涡减阻外壳片(申请号201511036151.3)、刚柔相间的减阻降噪表面(ZL201310472654.X)等减阻表面及其制作方法。 [0005] 现有仿鲨鱼/贝壳的减阻表面均呈刚性肋条状，包括刚柔相间的减阻降噪表面，无论减阻表面工作与否，肋条及沟槽形状不变，结构单一，与鲨鱼等水生生物表皮脂肪层的弹性存在显著差异。此外，现有减阻表面制作方法多采用微细加工、喷涂、贴膜等工艺，舰船、潜艇、鱼雷等水下航行器外壁面大面积应用难度大，且减阻表面与航行器本体间易分离或脱落。总体而言，现有表面仿生减阻技术存在结构复杂、成本高、运营成本高、控制方式繁琐、结构设计复杂、实用性差等不足。 发明内容[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法，基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。 [0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。 [0008] 作为优选，所述基底与硬质减阻元为一体的。 [0009] 作为优选，所述基底与柔性覆盖层为一体的。 [0011] 作为优选，所述中轴与基底的夹角为30°-70°. [0012] 作为优选，所述柔性覆盖层的厚度是硬质减阻元高度的0.1-2倍。 [0013] 作为优选，所述柔性覆盖层的厚度是硬质减阻元高度的0.4-0.8倍。 [0014] 作为优选，所述硬质减阻元为圆锥形减阻元、棱锥形减阻元或尖锥形减阻元。 [0015] 一种上述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面的制作方法，包括以下步骤： [0016] (一)硬质减阻元的加工及装配 [0017] 根据所加工减阻元尺寸和材料，选择不同的工艺：(1)对于微米或亚微米量级的硬质减阻元，可采用微铣削、微电铸、热压印、LIGA、激光熔覆等现有微加工工艺；(2)对于毫米或亚毫米量级的硬质减阻元，可采用仿形铣削、数控加工、精锻、铸造等常规机加工工艺；(3)对于毫米以上量级的硬质减阻元，可批量化生产减阻元个体，再通过螺纹连接、焊接等方式固定到基底上。尤其是，以水下航行器外壁面等大尺寸零部件为基底时，必须采用后两种制作方法。 [0018] (二)柔性覆盖层的加工及装配 [0019] 根据减阻元尺寸和覆盖层厚度及物性，选择喷涂、贴膜、沉积、模具等加工工艺，并通过粘接、螺纹固定等方式进行装配。 [0020] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0021] (1)结构性能好。采用锥状或柱状的硬质减阻元，不同于现有的肋条状沟槽结构；基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。 [0022] (2)制作工艺多样且可靠。根据硬质减阻元尺寸和结构，可采用微加工、常规机加工等多种制作工艺，尤其是采用成熟的现有机械加工工艺，简单可靠，成本低廉，适用范围广，可加工独立的减阻表面构件，或以减阻对象外壁面为基底制作减阻表面。 [0024] 图1为本发明一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面组成视图。 [0025] 图2为本发明所述硬质减阻元的典型结构示图。 [0026] 图3为本发明所述硬质减阻元矩形排列的减阻表面示意图。 [0027] 图4为本发明所述硬质减阻元菱形排列的减阻表面示意图。 [0028] 图5为本发明所述基底与硬质减阻元一体的减阻表面示意图。 [0029] 图6为本发明所述使用铸锻工艺加工出的硬质减阻元示意图。 [0030] 图7为本发明所述使用螺纹配合方式连接的硬质减阻元与基底示意图。 [0031] 图8为本发明所述使用喷涂工艺加工柔性覆盖层示意图。 [0032] 图9为本发明所述基底与柔性覆盖层一体的减阻表面示意图。 [0033] 图10为本发明所述使用铸锻工艺加工出的硬质减阻元示意图。 [0034] 图11为本发明所述使用倒置浇注的方式浇注柔性覆盖层和基底示意图。 具体实施方式[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 [0036] 如图1、图5和图6所示，本发明所述一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面包括基底1、硬质减阻元2和柔性覆盖层3。所述基底1可以是独立的单元，如图1所示；可以与硬质减阻元2是一体的，如图5所示；也可以与柔性覆盖层3是一体的，如图6所示。所述基底1厚度d很小或与柔性覆盖层3一体时整体呈柔性，而厚度d很大或直接以航行器基体等大尺寸零部件为基底时就是刚性的。所述硬质减阻元2呈锥状或柱状，具有一定硬度、不易发生变形，高度Hy在微米至毫米尺度范围内变化，根据减阻对象尺寸和航行要求选择；硬质减阻元2与基底 1固连且沿来流速度v方向倾斜，其轴线与柔性覆盖层3表面间夹角α介于10°-90°之间，根据航行器形状、工况、减阻要求等条件按照一定规律变化，优选范围为30°-70°。所述柔性覆盖层3包裹着硬质减阻元2与基底1紧密贴合，柔性覆盖层3厚度Hf保持均匀一致，是硬质减阻元2高度Hy的0.1-2倍，使硬质减阻元不同程度露出或埋藏于覆盖层，选优范围为0.4-0.8倍。 [0037] 如图2所示，本发明所述硬质减阻元2为典型锥状结构，其形状和尺寸由高度Hy、锥底(或锥底外接圆)半径r等参数描述，如圆锥形减阻元、棱锥形减阻元22和尖锥形减阻元等。为提高仿河豚表皮形貌水下减阻表面的减阻效果和制造工艺性，所述硬质减阻元统一选用棱锥形。 [0038] 如图3、图4所示，本发明所述硬质减阻元2的典型排列方式，如矩形、菱形等排列方式。矩形排列方式参数为相邻硬质减阻元2中心点间距离为L1、L2；菱形排列方式参数为相邻硬质减阻元2中心点距离L3、L4及夹角θ。 [0039] 如图5所示，本发明所述基底1与硬质减阻元2一体的减阻表面示意图，制作方法主要分为硬质减阻元2的加工及装配、柔性覆盖层3的加工及装配两步骤，具体的制作方法如下： [0040] (一)硬质减阻元2的加工及装配 [0041] 根据所加工减阻元2的材料和尺寸，选择不同的工艺：(1)对于微米或亚微米量级的硬质减阻元2，可采用微铣削、微电铸、热压印、LIGA、激光熔覆等现有微加工工艺；(2)对于毫米或亚毫米量级的硬质减阻元2，可采用仿形铣削、数控加工、精锻、铸造等常规机加工工艺；(3)对于毫米以上量级的硬质减阻元2，可利用专用机床、铸锻等工艺批量化生产减阻元个体，再通过螺纹连接、焊接等方式固定到基底1上。尤其是，以水下航行器外壁面等大尺寸零部件为基底1时，必须采用后两种制作方法。 [0042] (二)柔性覆盖层3的加工及装配 [0043] 根据减阻元2尺寸和覆盖层3厚度及物性，选择喷涂、贴膜、沉积、模具等加工工艺，并通过粘接、螺纹固定等方式进行装配。 [0044] 以壁面为刚性材料的大尺寸水下航行器为例，详细阐述本发明所述减阻表面的制作及装配过程： [0045] ①首先通过设计和数值仿真计算得出该水下航行器需要添加减阻表面的减阻元尺寸。使用铸锻工艺加工出所需数量的硬质减阻元2，如图6所示。 [0046] ②对铸锻工艺获得的硬质减阻元2进行攻螺纹，再对水下航行器表面基底1进行钻孔和攻螺纹处理，使用螺纹配合方式将硬质减阻元2与基底1进行连接，如图7所示。 [0047] ③使用焊接工艺对硬质减阻元2与基底1连接处进行焊接加固处理，再对焊接处进行打磨处理。 [0049] 如图9所示，本发明所述基底1与柔性覆盖层3一体的减阻表面示意图，制作方法主要分为硬质减阻元2的加工、柔性覆盖层3的加工及装配两步骤，具体的制作方法如下： [0050] (一)硬质减阻元2的加工 [0051] 针对毫米及以上量级的硬质减阻元2的个体，选用仿形铣削、数控加工、精锻、铸造、专用机床等常规机加工工艺，批量化生产并保存备用。 [0052] (二)柔性覆盖层3的加工及装配 [0053] 根据减阻元2尺寸和覆盖层3厚度及物性，可选择正置和倒置两种浇注方式： [0054] (1)正置浇注方式。基底1浇注在完全冷却之前，将硬质减阻元2布置在基底1表面并固定，再浇注至柔性覆盖层厚度3。 [0055] (2)倒置浇注方式。根据硬质减阻元2和柔性覆盖层3的尺寸，制作倒置浇注支撑模板；铺设隔离膜后，将硬质减阻元2倒置于支撑模板上；一次性浇注出柔性覆盖层3和基底1；冷却定型后保存待用。 [0056] 以壁面为柔性材料的大尺寸水下航行器为例，详细阐述本发明所述减阻表面的制作及装配过程： [0057] ①首先通过设计和数值仿真计算得出该水下航行器需要添加减阻表面的减阻元尺寸。使用铸锻工艺加工出所需数量的硬质减阻元2，如图10所示。 [0058] ②根据硬质减阻元2和柔性覆盖层3的尺寸，制作出倒置浇注的支撑模板。在铺设隔离膜后，将硬质减阻元2倒置于支撑模板上；使用倒置浇注的方式浇注出柔性覆盖层3和基底1即可，如图11所示。 [0059] 减阻机理：将仿河豚表皮形貌的水下减阻表面加工在水下航行器表面，能够增大途径水下航行器表面流体粘性底层的厚度，减弱表面的湍流状态。其减阻表面上的硬质减阻元，能把湍流流体控制在所述减阻元的尖端，使所述硬质减阻元底部的船体表面不受湍流影响，减小船体表面所受的剪切应力，延迟湍流的转捩，最终减少能量的消耗。同时，涂覆在水下航行器表面的柔性覆盖层与流体发生相对运动时，增大粘性底层的厚度，延迟湍流的转捩，减小边界层内的速度梯度和边界层的剪切力，从而降低了阻力。通过硬质减阻元和柔性覆盖层的耦合作用实现了水航行器的表面减阻。 [0060] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈