JP6811978B2 - Composite material with dilatant fluid - Google Patents
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Description
本発明はダイラタント流体を用いた複合材料に関する。 The present invention relates to composite materials using dilatant fluids.
ダイラタント流体とは、sheａr thickeningとかダイラタンシーと呼ばれる、粘度がせん断速度によって増加する特性をもつ流体、すなわち、せん断速度が大きいときに粘度が大きくなり、せん断速度が小さいときには粘度が小さくなる材料である。良く知られているダイラタント流体にウーブレック（片栗粉の懸濁液，コーンスターチの懸濁液）がある。
ダイラタンシーを備える素材はしなやかな衝撃吸収性を備えることから、自動車のヘッドレスト等の衝撃吸収剤として利用されている（特許文献１等）。
The dilatant fluid is a fluid called shear thickening or dilatancy, which has a property that the viscosity increases with the shear rate, that is, a material in which the viscosity increases when the shear rate is high and decreases when the shear rate is low. A well-known dilatant fluid is woobreck (potato starch suspension, cornstarch suspension).
Since a material having dilatancy has supple shock absorption, it is used as a shock absorber for automobile headrests and the like (Patent Document 1 and the like).
ダイラタント流体の利用例として、水中の推進機構であるフィンへの適用が考えられる。
フィンは小型船舶，水中探査艇，水中ロボット，スキューバダイビング等の推進に応用されているが、水中における推進には速度・環境・運動タスクなどによって最適なフィンの剛性が変化する。また、うちわのような揺動による冷却用フィン，飛翔のための揺動フィンにおいても同様に最適な弾性がある。
しかしながら、動作中に剛性が異なるフィンに交換することは現実的でないことから、可変剛性機構を備えるフィンが開発された（特許文献２、非特許文献１）。この可変剛性機構を備えるフィンは，フィンの内部にモータを設置し，板バネの有効長さを変化させたり，弾性板のねじりを変化させたりして剛性を変化させるものである。
As an example of the use of dilatant fluid, application to fins, which are propulsion mechanisms in water, can be considered.
Fins are applied to the propulsion of small boats, underwater exploration boats, underwater robots, scuba diving, etc., but for propulsion in water, the optimum fin rigidity changes depending on the speed, environment, exercise task, etc. In addition, cooling fins for swinging like a fan and swinging fins for flight also have optimum elasticity.
However, since it is not realistic to replace the fins with different rigidity during operation, fins having a variable rigidity mechanism have been developed (Patent Document 2 and Non-Patent Document 1). A fin equipped with this variable rigidity mechanism has a motor installed inside the fin to change the effective length of a leaf spring or the torsion of an elastic plate to change the rigidity.
水中推進機構としてのフィンは、水中の生物に対する危険性，網や藻などの巻き込み，激しい攪拌で起こる汚泥の巻き上げによる水質汚染などの問題が抑制できる点で、スクリュープロペラを用いる水中推進機構に対して優れている。しかしながら、機械的機構を利用してフィンに可変剛性を付与する従来構造は、構造が複雑であり、高コストで効率的でないという課題があった。
本発明は、より簡素な構造により揺動速度に応じて剛性を可変とすることを可能にするダイラタント流体を用いた複合材料を提供することを目的とする。
Fins as an underwater propulsion mechanism can suppress problems such as danger to underwater organisms, entrainment of nets and algae, and water pollution due to sludge hoisting caused by vigorous stirring, compared to underwater propulsion mechanisms that use screw propellers. Is excellent. However, the conventional structure that imparts variable rigidity to the fins by using a mechanical mechanism has a problem that the structure is complicated, high cost, and inefficient.
It is an object of the present invention to provide a composite material using a dilatant fluid which enables the rigidity to be changed according to the swing speed by a simpler structure.
本発明に係るダイラタント流体を用いた複合材料は、ダイラタント流体と、該ダイラタント流体と接触して相互作用することにより、ダイラタント流体との間でせん断作用を生じさせる作用材料とからなる複合材料であって、前記ダイラタント流体と前記作用材料とが、変形可能な収容体に封入され、前記作用材料は、柔軟性と、前記ダイラタント流体との親和性とを有するとともに、前記作用材料は、多数本の柔軟な繊維を束状に繊維方向を揃えて、前記収容体の一端側と他端側とを繋ぐように配置されたものであることを特徴とする。
前記収容体の形態としては、たとえば水中あるは空気中で利用する、フィン形状に形成することができる。
The composite material using the dilatant fluid according to the present invention is a composite material composed of a dilatant fluid and an acting material that causes a shearing action with the dilatant fluid by contacting and interacting with the dilatant fluid. The dilatant fluid and the working material are encapsulated in a deformable container, and the working material has flexibility and affinity with the dilatant fluid, and the working material has a large number of. It is characterized in that the flexible fibers are arranged in a bundle shape with the fiber directions aligned so as to connect one end side and the other end side of the container .
The form of the front SL container, for example, water can be utilized in air to form the fin-shaped.
また、本発明に係るダイラタント流体を用いた複合材料は、ダイラタント流体と、該ダイラタント流体と接触して相互作用することにより、ダイラタント流体との間でせん断作用を生じさせる作用材料とからなる複合材料であって、前記ダイラタント流体と前記作用材料とが、変形可能な収容体に封入され、前記作用材料は、柔軟性と、前記ダイラタント流体との親和性とを有するとともに、前記作用材料は、多数枚の柔軟なフィルム材をランダムにまたはフィルムの配列方向を揃えて積層して形成されたものであることを特徴とする。柔軟な繊維やフィルム材を使用することにより、収容体の変形にともなって作用材料が変形し、ダイラタント流体と作用材料との間のせん断作用が効果的に作用することにより、揺動速度による剛性の変化を効率的に達成することができる。
また、前記収容体はフィン形状に形成することができる。
Further, the composite material using the dilatant fluid according to the present invention is a composite material composed of the dilatant fluid and an acting material that causes a shearing action with the dilatant fluid by contacting and interacting with the dilatant fluid. The dilatant fluid and the working material are encapsulated in a deformable container, and the working material has flexibility and affinity with the dilatant fluid, and the working material is numerous. you wherein the sheets in which a flexible film material is formed by laminating align the array direction of randomly or film. By using a flexible fiber or film material, the working material is deformed as the housing is deformed, and the shearing action between the dilatant fluid and the working material effectively acts, so that the rigidity due to the swing speed is obtained. Can be efficiently achieved.
Further, the housing can be formed in a fin shape.
前記ダイラタント流体には、種々のものが使用できる。たとえば、片栗粉の懸濁液やコーンスターチの懸濁液等のウーブレックを用いたり、シリカナノ粒子のナノ流体懸濁液を使用することができる。 Various dilatant fluids can be used. For example, a woobreck such as a suspension of potato starch or a suspension of cornstarch can be used, or a nanofluid suspension of silica nanoparticles can be used.
本発明に係るダイラタント流体を用いた複合材料によれば、揺動速度に応じて剛性を可変とする作用を備える複合材料として提供することができる。 According to the composite material using the dilatant fluid according to the present invention, it can be provided as a composite material having an action of changing the rigidity according to the swing speed.
（可変剛性フィン）
ダイラタント流体の作用を説明する例として、水中における推進機構に利用されるフィンにダイラタント流体を使用する例について説明する。
水中における推進機構に用いられるフィンは、魚のひれと同様に柔軟に変形する形態として形成されている。図１に示す可変剛性フィン１０は、フィンを揺動させたときの揺動速度が速いときには剛性が高く、揺動速度が遅いときには剛性が低くなるものである。
(Variable rigidity fin)
As an example of explaining the action of the dilatant fluid, an example of using the dilatant fluid for the fins used for the propulsion mechanism in water will be described.
The fins used for the propulsion mechanism in water are formed in a form that flexibly deforms like a fish fin. The variable rigidity fin 10 shown in FIG. 1 has high rigidity when the swing speed when the fin is swung is high, and low rigidity when the swing speed is slow.
図１(a)は可変剛性フィン１０の断面形状を示す。可変剛性フィン１０は、ダイラタント流体を収容する収容体としてのフィン構造部１２と、フィン構造部１２の内部に充填されたダイラタント流体１４とからなる。 FIG. 1A shows the cross-sectional shape of the variable rigidity fin 10. The variable-rigidity fin 10 includes a fin structure portion 12 as an accommodating body for accommodating the dilatant fluid, and a dilatant fluid 14 filled inside the fin structure portion 12.
フィン構造部１２は柔軟性を有するとともにダイラタント流体１４を封入して漏洩させないシート材料を用いて形成する。フィン構造部１２を構成する素材はとくには限定されないが、粘弾性を備える素材、たとえばウレタンゲルからなるシートは、柔らかで、滑らかであり、容易に変形可能である点でフィンの構造体として好適に利用することができる。
フィン構造部１２の形態（断面形状）及び寸法は、とくに限定されないが、固定側である基部１２ａから可動側である先端部１２ｂに向けて、断面幅が徐々に狭くなる滑らかな外形形状に形成する。
The fin structure 12 is formed by using a sheet material that has flexibility and encloses the dilatant fluid 14 to prevent leakage. The material constituting the fin structure portion 12 is not particularly limited, but a material having viscoelasticity, for example, a sheet made of urethane gel is suitable as a fin structure in that it is soft, smooth, and easily deformable. Can be used for.
The form (cross-sectional shape) and dimensions of the fin structure portion 12 are not particularly limited, but are formed into a smooth outer shape in which the cross-sectional width gradually narrows from the base portion 12a on the fixed side to the tip portion 12b on the movable side. To do.
フィン構造部１２の内部に充填されるダイラタント流体１４は、せん断速度によって粘度が変化する流体である。ダイラタント流体１４として、ウーブレック（片栗粉の懸濁液，コーンスターチの懸濁液）を使用することができる。ダイラタント流体１４をフィン構造部１２の内部に充填することによって可変剛性フィン１０が構成される。 The dilatant fluid 14 filled inside the fin structure 12 is a fluid whose viscosity changes depending on the shear rate. Woobreck (potato starch suspension, cornstarch suspension) can be used as the dilatant fluid 14. The variable rigidity fin 10 is configured by filling the inside of the fin structure portion 12 with the dilatant fluid 14.
図１(b)は、可変剛性フィン１０を水中で揺動させたときの動きを示す。可変剛性フィン１０はフィン構造部１２の内部にダイラタント流体１４を充填したことにより、可動剛性フィン１０を揺動駆動すると水の作用によりフィンに曲げ力が作用し、フィン構造部１２の内部に充填されているダイラタント流体１４にせん断力が作用する。 FIG. 1B shows the movement of the variable rigidity fin 10 when it is swung in water. Since the variable rigidity fin 10 is filled with the dilatant fluid 14 inside the fin structure portion 12, when the movable rigidity fin 10 is driven to swing, a bending force acts on the fin due to the action of water, and the inside of the fin structure portion 12 is filled. A shearing force acts on the dilatant fluid 14.
このせん断力は、可変剛性フィン１０の曲げ速度が速くなり、水による曲げ力が大きくなるとともに増大するから、ダイラタント流体１４の粘性が増大し、可変剛性フィン１０の変形が抑制される。すなわち、可変剛性フィン１０の揺動動作が速くなるとともに可変剛性フィン１０の剛性が増大し、可変剛性フィン１０による推進力が増大する。
一方、可変剛性フィン１０の揺動速度が遅くなると、可変剛性フィン１０に作用する水による曲げ力が小さくなり、ダイラタント流体１４に作用するせん断力は小さくなり、可変剛性フィン１０の剛性が高まる作用は抑制される。
Since this shearing force increases as the bending speed of the variable-rigidity fin 10 increases and the bending force due to water increases, the viscosity of the dilatant fluid 14 increases and the deformation of the variable-rigidity fin 10 is suppressed. That is, the swinging motion of the variable-rigidity fin 10 becomes faster, the rigidity of the variable-rigidity fin 10 increases, and the propulsive force of the variable-rigidity fin 10 increases.
On the other hand, when the swing speed of the variable rigidity fin 10 becomes slow, the bending force due to water acting on the variable rigidity fin 10 becomes small, the shearing force acting on the dilatant fluid 14 becomes small, and the rigidity of the variable rigidity fin 10 increases. Is suppressed.
このように、可変剛性フィン１０の剛性が揺動速度に応じて変化する特性は、高速の推進力を生む際には、フィンの剛性を高めることでより効率的な推進力を生み、低速では可変剛性フィン１０の剛性は増大せず、柔らかな特性を維持し、ゆっくりとした揺動速度に合わせた推進力を生むことができる。せん断速度に応じて粘性が変化するダイラタント流体を利用する方法は、機械的な複雑な構造を用いることなくフィンの剛性を変化させることができる点で、フィンを用いる推進機構の構成として有効に利用することが可能である。 In this way, the characteristic that the rigidity of the variable rigidity fin 10 changes according to the swing speed produces more efficient propulsion force by increasing the rigidity of the fin when generating high-speed propulsion force, and at low speed, it produces more efficient propulsion force. The rigidity of the variable rigidity fin 10 does not increase, the soft characteristic can be maintained, and a propulsive force corresponding to a slow swing speed can be generated. The method using a dilatant fluid whose viscosity changes according to the shear rate can be effectively used as a configuration of a propulsion mechanism using fins in that the rigidity of fins can be changed without using a complicated mechanical structure. It is possible to do.
（可変剛性フィン：複合型）
上述したように、可変剛性フィンの剛性が変化するのは可変剛性フィンに収容されているダイラタント流体にせん断力が作用することによる。したがって、ダイラタント流体に作用するせん断力の作用を増大させる構成を設けることで効果的に可変剛性フィンの剛性を変化させることが可能である。
図２は、可変剛性フィンの剛性を増大させる方法として、ダイラタント流体の収容体であるフィン構造部１２に、作用材料として多数本の繊維からなる繊維状体１６を収容し、フィン構造部１２にダイラタント流体１４を充填した構造としたものである。フィン構造部１２にダイラタント流体１４を充填したことにより、繊維状体１６を構成する個々の繊維の間にダイラタント流体１４が充填される。
(Variable rigidity fin: composite type)
As described above, the change in the rigidity of the variable-rigidity fin is due to the action of a shearing force on the dilatant fluid housed in the variable-rigidity fin. Therefore, it is possible to effectively change the rigidity of the variable rigidity fin by providing a configuration that increases the action of the shearing force acting on the dilatant fluid.
In FIG. 2, as a method of increasing the rigidity of the variable rigidity fin, a fibrous body 16 composed of a large number of fibers is housed in the fin structure portion 12 which is an accommodating body of the dilatant fluid, and the fin structure portion 12 is accommodated. The structure is filled with the dilatant fluid 14. By filling the fin structure portion 12 with the dilatant fluid 14, the dilatant fluid 14 is filled between the individual fibers constituting the fibrous body 16.
繊維状体１６は可変剛性フィン１１が揺動して流体から曲げ力を受けた際に、可変剛性フィン１１と同様に繊維状体１６も曲がることにより、繊維状体１６の個々の繊維とダイラタント流体１４との間でせん断力が生じるように設けたものである。ダイラタント流体と繊維とが相互に近接した位置で相互作用することにより、ダイラタント流体に効果的にせん断力が作用し、ダイラタント流体１４に作用するせん断力が全体として増大する。 When the variable-rigidity fin 11 swings and receives a bending force from the fluid, the fibrous body 16 bends in the same manner as the variable-rigidity fin 11, so that the individual fibers of the fibrous body 16 and the dilatant It is provided so that a shearing force is generated with the fluid 14. When the dilatant fluid and the fiber interact at positions close to each other, a shearing force acts effectively on the dilatant fluid, and the shearing force acting on the dilatant fluid 14 increases as a whole.
図２(a)に示すように、繊維状体１６は、可変剛性フィン１１の長手方向に沿うように、フィン構造部１２の基部１２ａと先端部１２bとの間を繊維で繋ぐように配置し、可変剛性フィン１１とともに繊維状体１６が曲がることで、ダイラタント流体１４と繊維との間でせん断力が効果的に作用するようにする。
繊維状体１６を構成する繊維には、可変剛性フィン１１の揺動動作を妨げない可撓性のある柔軟な素材からなるものを使用し、ダイラタント流体１４と親和性のある素材を使用する。ダイラタント流体１４としてウーブレック（片栗粉懸濁液、コンスターチ懸濁液）を使用する場合は親水性の繊維を使用する。ダイラタント流体１４と親和性のある繊維を使用することにより、繊維状体１６とダイラタント流体１４との間でせん断力を効果的に作用させることができる。
As shown in FIG. 2A, the fibrous body 16 is arranged so as to connect the base portion 12a and the tip portion 12b of the fin structure portion 12 with fibers along the longitudinal direction of the variable rigidity fin 11. The fibrous body 16 bends together with the variable-rigidity fins 11 so that a shear force acts effectively between the dilatant fluid 14 and the fibers.
As the fibers constituting the fibrous body 16, a material made of a flexible and flexible material that does not interfere with the swinging operation of the variable rigidity fin 11 is used, and a material having an affinity with the dilatant fluid 14 is used. When Woobreck (potato starch suspension, cornstarch suspension) is used as the dilatant fluid 14, hydrophilic fibers are used. By using a fiber having an affinity for the dilatant fluid 14, a shearing force can be effectively applied between the fibrous body 16 and the dilatant fluid 14.
（可変剛性フィン：実験）
フィン構造部１２に繊維状体１６を収容した複合型の可変剛性フィン１１を実際に製作し、可変剛性フィン１１の推進力と動作（挙動）について調べる実験を行った。
図３は、実験に使用した粘弾性フィンに用いた繊維状体である。この繊維状体は多数本の繊維（馬の尻尾の毛）の先端部を集束させ、繊維の基端部をフィン構造部１２の基部１２ａに合わせて結束したものである。
(Variable rigidity fin: experiment)
A composite variable-rigidity fin 11 in which the fibrous body 16 was housed in the fin structure 12 was actually manufactured, and an experiment was conducted to investigate the propulsive force and operation (behavior) of the variable-rigidity fin 11.
FIG. 3 shows a fibrous body used for the viscoelastic fin used in the experiment. In this fibrous body, the tips of a large number of fibers (hairs on the tail of a horse) are bundled, and the base ends of the fibers are aligned with the base 12a of the fin structure 12 and bound.
図４、５に推進力の測定に使用した実験用の粘弾性フィンの構造を示す。実験では可変剛性フィンの先端に後方板を取り付けた粘弾性フィンを使用した。図４は、可変剛性フィン１１の基部を支持ブロックに２０に支持し、可変剛性フィン１１の先端に支持板２２を取り付けた状態の斜視図であり、図５は支持板２２に後方板２３を取り付けた実験状態の粘弾性フィンの正面図である。
図４に示すように、可変剛性フィン１１の基部を支持するアルミニウム製の支持ブロック２０の上部に軸棒２１を起立させて固定する。軸棒２１は粘弾性フィンを揺動駆動する駆動機構に連繋され、粘弾性フィンが揺動駆動される。支持板２２（２枚）は可変剛性フィン１１の先端部を両側から挟む配置に設け、後方板２３を挟圧して可燃剛性フィン１１に固定するとともに、可変剛性フィン１１に充填したダイラタント流体が漏出しないように封止する。
後方板２３はアクリル樹脂からなる台形状の板体であり、幅広となる側が後端側となるように支持板２２に取り付けた。可変剛性フィン１１に後方板２３を取り付けているのは、可変剛性フィン１１を揺動駆動したときの推進力を大きくし、可変剛性フィン１１に作用する曲げ力を強め、可変剛性フィン１１の作用を明らかにするためである。
Figures 4 and 5 show the structure of the experimental viscoelastic fins used to measure the propulsive force. In the experiment, a viscoelastic fin with a rear plate attached to the tip of the variable rigidity fin was used. FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the base of the variable rigidity fin 11 is supported by the support block 20 and the support plate 22 is attached to the tip of the variable rigidity fin 11, and FIG. 5 shows a rear plate 23 attached to the support plate 22. It is a front view of the viscoelastic fin in the attached experimental state.
As shown in FIG. 4, the shaft rod 21 is erected and fixed on the upper portion of the aluminum support block 20 that supports the base of the variable rigidity fin 11. The shaft rod 21 is connected to a drive mechanism that swings and drives the viscoelastic fins, and the viscoelastic fins are swing-driven. The support plates 22 (2 sheets) are provided so as to sandwich the tip portions of the variable rigidity fins 11 from both sides, and the rear plate 23 is sandwiched and fixed to the combustible rigid fins 11, and the dilatant fluid filled in the variable rigid fins 11 leaks out. Seal so that it does not occur.
The rear plate 23 is a trapezoidal plate made of acrylic resin, and is attached to the support plate 22 so that the wide side is the rear end side. The rear plate 23 is attached to the variable-rigidity fin 11 by increasing the propulsive force when the variable-rigidity fin 11 is oscillated and driving, strengthening the bending force acting on the variable-rigidity fin 11, and the action of the variable-rigidity fin 11. This is to clarify.
実験に使用した可変剛性フィン１１のフィン構造部１２には軟質ポリウレタン樹脂（ｃ硬度40、ハプラプリンゲルPL-40)を使用した。
ダイラタント流体にはウーブレック（片栗粉懸濁液）を使用した。ウーブレックは60wt％の濃度のもの（90ｍL）をフィン構造部１２に封入した。また、比較例として、ウーブレックのかわりにニュートン流体として水90ｍLをフィン構造部１２に封入したものを使用した。いずれの流体を使用する場合も、フィン構造部１２には、前述した繊維状体１６が収容されている。
A flexible polyurethane resin (c hardness 40, hapraprin gel PL-40) was used for the fin structure 12 of the variable rigidity fin 11 used in the experiment.
Woobreck (potato starch suspension) was used as the dilatant fluid. Woobreck having a concentration of 60 wt% (90 mL) was sealed in the fin structure 12. Further, as a comparative example, instead of Woobreck, 90 mL of water was sealed in the fin structure 12 as a Newtonian fluid. Regardless of which fluid is used, the fibrous body 16 described above is housed in the fin structure portion 12.
上記実験用の粘弾性フィンについて推進力と可変剛性フィンの挙動を調べる実験は、粘弾性フィンを水槽内にセットし、粘弾性フィンを揺動駆動したときの推進力をロードセルを用いて測定し、画像認識により粘弾性フィンの動きを検知する方法で行った。なお、実験は静止流体の状態（流速０）で行った。
図６に測定装置の構成を示す。水槽３０の上方に測定装置を支持する枠部３２を固定し、枠部３２に水槽３０の水流方向と平行に移動自在にスライド枠３４を取り付ける。スライド枠３４はリニアブッシュ３３を介して枠部３２に取り付け、ロードセル３５とスライド枠３４の前端とを連繋する。
In the experiment to investigate the propulsive force and the behavior of the variable rigidity fin of the viscoelastic fin for the above experiment, the viscoelastic fin was set in the water tank, and the propulsive force when the viscoelastic fin was oscillated was measured using a load cell. , The method of detecting the movement of the viscoelastic fin by image recognition was performed. The experiment was carried out in the state of a stationary fluid (flow velocity 0).
FIG. 6 shows the configuration of the measuring device. A frame portion 32 that supports the measuring device is fixed above the water tank 30, and a slide frame 34 is attached to the frame portion 32 so as to be movable in parallel with the water flow direction of the water tank 30. The slide frame 34 is attached to the frame portion 32 via the linear bush 33, and connects the load cell 35 and the front end of the slide frame 34.
スライド枠３４の中央部に揺動駆動用のモータ３６を固定し、モータ３６の出力軸と粘弾性フィンの支持ブロック２０に固定した軸棒２１とを連結する。軸棒２１の軸線方向を鉛直方向とし、モータ３６の初期状態（揺動駆動開始時の状態）において、粘弾性フィンの長手方向が水槽３０の長手方向と平行になるようにセットする。
モータ３６は出力軸の揺動範囲（揺動角度）、揺動速度がコンピュータによって制御され、ロードセル３５の出力信号がコンピュータに入力されて解析される。
モータ３６にはサーボモータを使用し、モータ３６の揺動角度をコンピュータにより制御し、ロータリーエンコーダの出力をコンピュータに入力してサーボモータの揺動角度をセンシングした。
A motor 36 for rocking drive is fixed to the central portion of the slide frame 34, and the output shaft of the motor 36 and the shaft rod 21 fixed to the support block 20 of the viscoelastic fin are connected. The axial direction of the shaft rod 21 is set to be the vertical direction, and the longitudinal direction of the viscoelastic fins is set to be parallel to the longitudinal direction of the water tank 30 in the initial state of the motor 36 (the state at the start of the swing drive).
The swing range (swing angle) and swing speed of the output shaft of the motor 36 are controlled by a computer, and the output signal of the load cell 35 is input to the computer for analysis.
A servomotor was used for the motor 36, the swing angle of the motor 36 was controlled by a computer, and the output of the rotary encoder was input to the computer to sense the swing angle of the servomotor.
図７は粘弾性フィンの動作を検知する測定系を示す。粘弾性フィンの動作は水槽３０の下方からカメラで視認して検知した。このため、水槽３０の底部を透明体（アクリル板）で形成し、水槽３０内に配置されている粘弾性フィンの下方にミラー４０を配置し、ミラー４０による粘弾性フィンの反射像を高速度カメラ４２により撮影する。 FIG. 7 shows a measurement system that detects the movement of viscoelastic fins. The operation of the viscoelastic fins was visually detected by a camera from below the water tank 30. Therefore, the bottom of the water tank 30 is formed of a transparent body (acrylic plate), the mirror 40 is arranged below the viscoelastic fins arranged in the water tank 30, and the reflected image of the viscoelastic fins by the mirror 40 is displayed at high speed. Take a picture with the camera 42.
図８は粘弾性フィンを平面方向（鉛直方向）から見た状態を示す。粘弾性フィンの上縁部に粘弾性フィンの動きを検知するための視認用のマーク５０（８ポイント）を配置する。粘弾性フィンを揺動するときの揺動角（θy）は、軸棒２１を支点として支持ブロック２０が基準線に対して揺動した角度（支点と支持ブロック２０の端部位置のマーク５０ａとを結ぶ線が基準線となす角）と定義する。基準線は、支点（軸棒２１）を通る水槽３０の長手方向と平行となる方向である。 FIG. 8 shows a state in which the viscoelastic fin is viewed from the plane direction (vertical direction). A visual mark 50 (8 points) for detecting the movement of the viscoelastic fin is placed on the upper edge of the viscoelastic fin. The swing angle (θy) when swinging the viscoelastic fin is the angle at which the support block 20 swings with respect to the reference line with the shaft rod 21 as the fulcrum (the mark 50a at the end position of the fulcrum and the support block 20). The angle between the line connecting and the reference line) is defined. The reference line is a direction parallel to the longitudinal direction of the water tank 30 passing through the fulcrum (shaft rod 21).
＜粘弾性フィンの推進力＞
図９は粘弾性フィンを１周期揺動させたときの推進力を測定した結果を示す。なお、粘弾性フィンは+30°〜-30°の範囲で揺動させた。揺動速度については、揺動周期Ｔを1.5sec、2.0sec、2.5sec、3.0secとして、４段階に変えて測定した。
図９(a)、(b)、(c)、(d)は揺動周期T=1.5sec、2.0sec、2.5sec、3.0secの場合の測定結果である。それぞれ、ダイラタント流体としてウーブレックを封入した場合と、単に水を封入した場合とを比較して示している。実線は推進力の測定結果、破線は粘弾性フィンの揺動角度を示す。
<Propulsive force of viscoelastic fins>
FIG. 9 shows the result of measuring the propulsive force when the viscoelastic fin is swung for one cycle. The viscoelastic fins were swung in the range of + 30 ° to -30 °. The swing speed was measured by changing the swing period T to 1.5 sec, 2.0 sec, 2.5 sec, and 3.0 sec in four steps.
9 (a), (b), (c), and (d) are measurement results when the swing period T = 1.5 sec, 2.0 sec, 2.5 sec, and 3.0 sec. Each is shown by comparing the case where Woobreck is sealed as a dilatant fluid and the case where water is simply sealed. The solid line shows the measurement result of the propulsive force, and the broken line shows the swing angle of the viscoelastic fin.
図９の推進力についてのグラフから、揺動速度が速い場合には（揺動周期T=1.5sec、2.0sec）、水を封入したものと比較してダイラタント流体を封入したものの推進力が上回っていることがわかる。なお、揺動速度が遅い場合には（揺動周期T=1.5sec、2.0sec）、ダイラタント流体を封入したものと水を封入したものの推進力の差異は明確ではない。
また、揺動速度が異なるいずれの場合も、周期運動における推進力がいずれも正の値としてあらわれている。これは、粘弾性フィンが揺動によって柔らかく変形する動きをすることによる。粘弾性フィンとは異なり、まったく変形しない剛体をフィンとして揺動駆動させると、負の値の推進力（推進する方向とは逆向きの力）が生じる。柔らかく変形するフィンの場合に負の値の推進力が生じないことは、揺動動作によって効率的な推進力を生じさせていることを示す。
From the graph of propulsive force in FIG. 9, when the rocking speed is high (rocking period T = 1.5sec, 2.0sec), the propulsive force of the one filled with dilatant fluid is higher than that of the one filled with water. You can see that. When the rocking speed is slow (rocking period T = 1.5sec, 2.0sec), the difference in propulsive force between the one containing dilatant fluid and the one containing water is not clear.
Further, in all cases where the swing speeds are different, the propulsive force in the periodic motion appears as a positive value. This is because the viscoelastic fins move to be softly deformed by swinging. Unlike viscoelastic fins, when a rigid body that does not deform at all is oscillated as a fin, a negative propulsive force (a force opposite to the propulsion direction) is generated. The fact that no negative propulsive force is generated in the case of a fin that deforms softly indicates that an efficient propulsive force is generated by the swinging motion.
また、図９の推進力を示すグラフ（実線）と揺動角度を示すグラフ（破線）とを比較すると、揺動動作が１周期する際に推進力は２周期で変動し、揺動周期TがT=3.0secからT=1.5secへ短くなるにしたがって推進力の位相が遅れている。
揺動１周期のうちで推進力が２周期で変動する理由は、揺動角θyが上死点の＋30°から下死点の-30°へ向けてフィンが動作する際に、推進力はプラスからθyが０°を超えると推進力が逆向きになり、一方、揺動角θyが下死点の-30°から上死点の+30°へ向けて反転動作する際も、プラスの推進力から中途で逆向きの推進力が生じることによる。すなわち、推進力は揺動動作の１周期でプラス側からマイナス側、マイナス側からプラス側となり、２周期で変動する。ただし、前述したように、剛体フィンの場合はフィンの変形が生じないことから、逆向きの推進力がマイナスの推進力として作用するが、粘弾性フィンの場合は逆向きの推進力となる場合でもプラス側で変動する。
Comparing the graph showing the propulsive force (solid line) and the graph showing the swing angle (broken line) in FIG. 9, the propulsive force fluctuates in two cycles when the swinging motion is cycled, and the swinging cycle T. However, the phase of the propulsive force is delayed as it shortens from T = 3.0sec to T = 1.5sec.
The reason why the propulsive force fluctuates in two cycles in one swing cycle is that the propulsive force fluctuates when the fin moves from + 30 ° of top dead center to -30 ° of bottom dead center. When θy exceeds 0 ° from plus, the propulsive force reverses, while when the swing angle θy reverses from -30 ° of bottom dead center to + 30 ° of top dead center, it is also positive. This is due to the fact that the propulsive force produces a reverse propulsive force in the middle. That is, the propulsive force changes from the plus side to the minus side and from the minus side to the plus side in one cycle of the swing operation, and fluctuates in two cycles. However, as described above, in the case of rigid fins, the fins are not deformed, so the propulsive force in the opposite direction acts as a negative propulsive force, but in the case of viscoelastic fins, the propulsive force is in the opposite direction. But it fluctuates on the plus side.
揺動周期が短くなる（フィンの動作が速くなる）にしたがって推進力の位相の遅れが大きくなる理由は次のように説明できる。
粘弾性フィンの揺動方向が反転する位置は、粘弾性フィンの上死点（+30°）と下死点（-30°）の位置である。粘弾性フィンの揺動方向が反転する上死点と下死点での粘弾性フィンの状態を見ると、粘弾性フィンは変形しながら（曲がりながら）揺動するから、上死点と下死点で揺動方向が反転しても、粘弾性フィン自体の変形（曲がり）は完全に反転するまでに至らず、上死点と下死点よりも遅れて実効的な反転が生じる。揺動周期が短くなると揺動周期が長い場合よりも、粘弾性フィンの変形が大きくなるため位相の遅れが大きくなる。
The reason why the phase delay of the propulsive force increases as the swing period becomes shorter (the fins move faster) can be explained as follows.
The positions where the swing directions of the viscoelastic fins are reversed are the positions of the top dead center (+ 30 °) and the bottom dead center (-30 °) of the viscoelastic fins. Looking at the state of the viscoelastic fins at the top dead center and the bottom dead center where the swing direction of the viscoelastic fins is reversed, the viscoelastic fins swing while deforming (bending), so the top dead center and bottom death Even if the swing direction is reversed at the point, the deformation (bending) of the viscoelastic fin itself does not completely reverse, and effective reversal occurs later than the top dead center and the bottom dead center. When the swing cycle is short, the deformation of the viscoelastic fin becomes larger than when the swing cycle is long, so that the phase delay becomes larger.
図１０は揺動周期T=1.5sec、2.0sec、2.5sec、3.0secのそれぞれの場合について推進力の平均値を示したものである。
図１０から、揺動周期T=2.5sec、3.0secでは、ウーブレックを封入した場合も水を封入した場合も推進力には大きな差異が見られないが、揺動周期T=1.5sec、2.0secの場合には、明らかにウーブレックを封入した粘弾性フィンの方が大きな推進力が得られている。
図９、１０の実験結果は、ダイラタント流体を封入した粘弾性フィンは、柔らかな弾性的な変形をしながら推進力を生んでいること、また、揺動速度が速い場合に剛性が高まることにより、より大きな推進力が得られるように作用することを示していると考えられる。
FIG. 10 shows the average value of the propulsive force for each of the swing periods T = 1.5 sec, 2.0 sec, 2.5 sec, and 3.0 sec.
From FIG. 10, when the swing period T = 2.5sec and 3.0sec, there is no significant difference in the propulsive force between the case where the woobreck is sealed and the case where the water is sealed, but the swing period T = 1.5sec and 2.0sec. In this case, the viscoelastic fins with the Woobreck clearly provide greater propulsion.
The experimental results shown in FIGS. 9 and 10 show that the viscoelastic fins in which the dilatant fluid is sealed generate propulsive force while undergoing soft elastic deformation, and that the rigidity increases when the rocking speed is high. , It is thought that it acts to obtain greater propulsion.
＜粘弾性フィンの挙動＞
図１１は粘弾性フィンを揺動駆動したときの挙動を示す。図１１(a)はウーブレックを封入した粘弾性フィンの挙動、図１１(b)は水を封入した粘弾性フィンの挙動、図１１(c)はウーブレックを封入したものと水を封入したものの挙動を重ね合わせて示した。
図１１(a)、(b)とも、揺動角度+30°〜-30°、揺動周期T=1.5sec、2.0sec、2.5sec、3.0secのときに粘弾性フィンの挙動を示す。図中の１、２・・・８は粘弾性フィンのそれぞれの揺動周期を８分割して各分割時刻における粘弾性フィンの形状を示す。図１１で3はθy＝+30°、７はθy＝-30°に相当する。
<Behavior of viscoelastic fins>
FIG. 11 shows the behavior when the viscoelastic fin is oscillated. FIG. 11 (a) shows the behavior of the viscoelastic fin containing the woobreck, FIG. 11 (b) shows the behavior of the viscoelastic fin containing water, and FIG. 11 (c) shows the behavior of the viscoelastic fin containing the woobreck and the one containing water. Are superimposed and shown.
Both FIGS. 11A and 11B show the behavior of viscoelastic fins when the swing angle is + 30 ° to -30 ° and the swing period is T = 1.5sec, 2.0sec, 2.5sec, 3.0sec. Reference numerals 1, 2, ... 8 in the figure indicate the shape of the viscoelastic fin at each division time by dividing each swing period of the viscoelastic fin into eight. In FIG. 11, 3 corresponds to θy = + 30 ° and 7 corresponds to θy = -30 °.
前述したように、粘弾性フィンは支持ブロックと、可変剛性フィンと、支持板と、後方板からなる。図１１ではこれら各部材の動きを示している。
図１１から、水を封入した粘弾性フィンでは、とくに揺動速度が速くなると、支持ブロックと可変剛性フィンとの取り付け部分の近傍で可変剛性フィンにねじれが生じている。一方、ウーブレックを封入した粘弾性フィンではねじれが軽減されている。これは、揺動速度が速くなることで可変剛性フィンの剛性が高くなり、ねじれを抑制する作用が生じたものと考えられる。
As described above, the viscoelastic fin consists of a support block, a variable rigidity fin, a support plate, and a rear plate. FIG. 11 shows the movement of each of these members.
From FIG. 11, in the viscoelastic fins filled with water, the variable rigidity fins are twisted in the vicinity of the attachment portion between the support block and the variable rigidity fins, especially when the swing speed is increased. On the other hand, the viscoelastic fins containing the woobreck have reduced twist. It is considered that this is because the rigidity of the variable rigidity fin is increased by increasing the swing speed, and the effect of suppressing twisting is generated.
また、粘弾性フィンが揺動動作するときのフィン構造部を見ると、ウーブレックを封入した粘弾性フィンではフィン構造部の後方でのふくらみが抑制されることが観察された。これは揺動動作の際に、水を封入したものでは、水の粘度が低いため、遠心力によってフィン構造部の後方に移動しやすく、これによってフィン構造部の後方側が膨らみ、フィン構造部の後方側で変形が大きくなる。これに対して、ウーブレックを封入した粘弾性フィンでは、ウーブレックが水よりも粘度が高いことに加えて、フィン構造部の後方部分が変形することで繊維状体との間のせん断作用によりウーブレックの粘性がさらに増大し、遠心力が作用してもウーブレックがフィン構造部の後方に移動することが抑制される。このようなウーブレックの作用と、粘弾性フィンのねじれを抑制する作用により、推進力を増大させたものと考えられる。 Looking at the fin structure when the viscoelastic fin swings, it was observed that the viscoelastic fin with the woobreck suppressed the swelling behind the fin structure. This is because the viscosity of water is low when water is sealed during the swinging operation, so that it is easy to move to the rear of the fin structure due to centrifugal force, which causes the rear side of the fin structure to bulge and the fin structure. Deformation increases on the rear side. On the other hand, in the viscoelastic fins containing Woobreck, in addition to the Woobreck having a higher viscosity than water, the rear part of the fin structure is deformed and the shearing action with the fibrous body causes the Woobreck. The viscosity is further increased, and the movement of Woobreck to the rear of the fin structure is suppressed even when centrifugal force is applied. It is considered that the propulsive force was increased by the action of Woobreck and the action of suppressing the twisting of the viscoelastic fins.
上述した実験は、ダイラタント流体を用いた複合材料の例として粘弾性フィンを構成した例である。ダイラタント流体を用いた複合材料は、このような水中における推進機構を構成する例に適用する場合に限られない。たとえば、河川の流れや潮流など，水流が変化するような環境において水流のエネルギーを回収するフィンとして利用することも可能である。変化する流速に適応した剛性が得られるフィンを調製すれば、エネルギー回収効率を向上させることができる。 The above-mentioned experiment is an example in which a viscoelastic fin is constructed as an example of a composite material using a dilatant fluid. The composite material using the dilatant fluid is not limited to the case where it is applied to the example constituting the propulsion mechanism in water. For example, it can be used as a fin to recover the energy of a water stream in an environment where the water flow changes, such as a river flow or a tidal current. Energy recovery efficiency can be improved by preparing fins having rigidity adapted to changing flow velocities.
また、上記粘弾性フィンではダイラタント流体としてウーブレックを使用したが、ダイラタント流体としてシリカナノ粒子を用いたナノ流体懸濁液を用いることもできる。シリカナノ粒子からなるナノ流体懸濁液を使用すれば流体の分量を減らすことができ、軽量化を図ることができる。このような構成とすれば、うちわのような気流を利用する冷却フィンや飛翔ロボットのフィンにも適用することができる。 Further, in the viscoelastic fin, Woobreck was used as the dilatant fluid, but a nanofluid suspension using silica nanoparticles as the dilatant fluid can also be used. If a nanofluid suspension composed of silica nanoparticles is used, the amount of fluid can be reduced and the weight can be reduced. With such a configuration, it can be applied to cooling fins that utilize airflow such as a fan and fins of a flying robot.
また、上記粘弾性フィンではダイラタント流体と親和性のある繊維状体を収容体であるフィン構造部に収容しているが、ダイラタント流体との間でせん断作用を生じさせる作用材料としては繊維状体に限らず、不織布状のもの、薄いフィルム状のもの等の柔軟性を有する材料を用いることができる。これらの材料を使用する場合も、繊維を束状等として整列して使用する場合に限らず、ランダムな向きに配列したものを使用することもでき、フィルム状の作用材料を積層して使用するといったことも可能である。
また、フィン構造部の外形形態や寸法もなんら限定されるものではなく、いわゆるフィン形状に限らず任意の形態に形成することができる。
Further, in the viscoelastic fin, a fibrous body having an affinity for the dilatant fluid is housed in the fin structure portion which is an accommodating body, but the fibrous body is used as an action material for causing a shearing action with the dilatant fluid. However, a flexible material such as a non-woven fabric or a thin film can be used. When these materials are used, not only when the fibers are arranged in a bundle shape or the like, but also those arranged in a random direction can be used, and film-like working materials are laminated and used. It is also possible.
Further, the outer shape and dimensions of the fin structure are not limited in any way, and the fin structure can be formed in any shape, not limited to the so-called fin shape.
本発明に係るダイラタント流体を用いた複合材料は、ダイラタント流体と繊維状体のような柔軟性を有する作用材料を複合化させたところに特徴がある。衝撃吸収剤としてダイラタント流体の特性（ダイラタンシー）を用いた材料は多くあるが、本発明に係る複合材料はダイラタント流体と柔軟性を有する作用材料を複合したことにより、衝撃力に応じたしなやかな衝撃吸収性を備える点で特徴的である。衝撃の程度や方向に応じて作用材料の充填方法や作用材料の配置を適宜調節すればよい。 The composite material using the dilatant fluid according to the present invention is characterized in that the dilatant fluid and a flexible working material such as a fibrous body are composited. There are many materials that use the characteristics of dilatant fluid (dilatancy) as a shock absorber, but the composite material according to the present invention is a composite of a dilatant fluid and a flexible acting material, so that it has a supple impact according to the impact force. It is characteristic in that it has absorbency. The filling method of the working material and the arrangement of the working material may be appropriately adjusted according to the degree and direction of the impact.
１０、１１ 可変剛性フィン
１２ フィン構造部
１２ａ 基部
１２ｂ 先端部
１４ ダイラタント流体
２０ 支持ブロック
２１ 軸棒
２２ 支持板
２３ 後方板
３０ 水槽
３４ スライド枠
３５ ロードセル
３６ モータ
４０ ミラー
４２ 高速度カメラ
５０、５０ａ マーク
10, 11 Variable Rigidity Fin 12 Fin Structure 12a Base 12b Tip 14 Diratant Fluid 20 Support Block 21 Shaft Rod 22 Support Plate 23 Rear Plate 30 Water Tank 34 Slide Frame 35 Load Cell 36 Motor 40 Mirror 42 High Speed Camera 50, 50a Mark
Claims (5)
該ダイラタント流体と接触して相互作用することにより、ダイラタント流体との間でせん断作用を生じさせる作用材料とからなる複合材料であって、
前記ダイラタント流体と前記作用材料とが、変形可能な収容体に封入され、
前記作用材料は、柔軟性と、前記ダイラタント流体との親和性とを有するとともに、
前記作用材料は、多数本の柔軟な繊維を束状に繊維方向を揃えて、前記収容体の一端側と他端側とを繋ぐように配置されたものであることを特徴とするダイラタント流体を用いた複合材料。 With dilatant fluid,
A composite material composed of an acting material that causes a shearing action with the dilatant fluid by contacting and interacting with the dilatant fluid.
The dilatant fluid and the working material are encapsulated in a deformable container.
The working material has flexibility and affinity for the dilatant fluid, as well as
The working material is a dilatant fluid characterized in that a large number of flexible fibers are arranged in a bundle with the fiber directions aligned so as to connect one end side and the other end side of the container. The composite material used.
該ダイラタント流体と接触して相互作用することにより、ダイラタント流体との間でせん断作用を生じさせる作用材料とからなる複合材料であって、
前記ダイラタント流体と前記作用材料とが、変形可能な収容体に封入され、
前記作用材料は、柔軟性と、前記ダイラタント流体との親和性とを有するとともに、
前記作用材料は、多数枚の柔軟なフィルム材をランダムにまたはフィルムの配列方向を揃えて積層して形成されたものであることを特徴とするダイラタント流体を用いた複合材料。 With dilatant fluid,
A composite material composed of an acting material that causes a shearing action with the dilatant fluid by contacting and interacting with the dilatant fluid.
The dilatant fluid and the working material are encapsulated in a deformable container.
The working material has flexibility and affinity for the dilatant fluid, as well as
The working material, a composite material using the characteristics and to holder Iratanto fluid that is one formed by laminating align the array direction of randomly or film a large number of flexible film material.
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