CN102589468A

CN102589468A - 一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法

Info

Publication number: CN102589468A
Application number: CN2012100257134A
Authority: CN
Inventors: 韩鑫; 王娟; 王小翠; 林玉飞; 刘家瑞
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: CN102589468B

Abstract

本发明公开了一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，该方法通过生物表皮取样及预处理、生物样本表面轮廓扫描与成像、三维盾鳞沟槽生物原型模型提取、二维盾鳞沟槽截面轮廓曲线提取、盾鳞沟槽截面轮廓曲线模型建立等步骤，最终得到软骨鱼表皮样本上盾鳞沟槽截面轮廓曲线的数学模型。本发明的优点在于，通过对软骨鱼表皮样本进行高精度表面轮廓扫描和成像，所建立的数学模型与生物原型的拟合程度较高。采用本发明方法建立的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线数学模型，可以作为数控加工设备制造高逼真仿生减阻表面的数据来源。

Description

一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法

技术领域

本发明提供一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，属于仿生减阻技术领域。

背景技术

鲨鱼等水下低阻软骨鱼为人类处理日益严峻的能源问题提供了有效的解决方案。鲨鱼皮的减阻率在15%以上，其表皮鳞片是一种特殊的鳞片类型，称为盾鳞（placoid scale）。盾鳞呈菱形连续铺排，单个盾鳞由基板和鳞棘两部分组成，基板是一块埋于皮肤内的骨质板，基板上面是呈釉质（显微硬度在300～350HV）且向后倾斜伸出于皮肤之外的鳞棘，鳞棘间有平滑的圆谷状沟槽，依鲨鱼种类不同其沟槽宽度在30μm～120μm。研究表明，低阻高速软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓的形状对于其自身的这种高效减阻效能起到决定性作用。因此，模仿水下低阻软骨鱼表皮盾鳞沟槽微观形貌、制造高逼真仿生减阻表面对于降低航行器的流体阻力、提高速度和机动性、增大航程具有重要的现实意义。

当前，考虑到加工方法和加工成本，围绕鲨鱼皮等水下低阻软骨鱼表皮的仿生制造主要是将生物原型沟槽结构抽象、简化、放大为V形、梯形、L形等多种形式的沟槽，进而在此基础上进行仿形加工。但采用上述方式制造出的仿生减阻表皮在功能上显然不能与生物原型相比拟。伴随高精度、高分辨率数控加工技术的发展，采用机械加工手段制造出高逼真仿生减阻表面已成为可能。为了给上述高性能数控加工设备提供数字化构形数据来源，需要建立软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的数学模型。而目前尚未见到针对软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓进行曲线建模方法研究的报道，这直接阻碍了高逼真仿生减阻表面的数字化制造技术发展及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，该建模方法先通过生物表皮取样及预处理，将原软骨鱼表皮制成软骨鱼表皮干燥样本；进而借助生物样本表面轮廓扫描与成像，获取软骨鱼表皮样本表面轮廓图像；然后通过三维盾鳞沟槽生物原型模型提取，获取软骨鱼表皮样本上盾鳞沟槽的三维立体图像；第三步借助二维盾鳞沟槽截面轮廓曲线提取，获取软骨鱼表皮样本上盾鳞沟槽生物原型的截面轮廓曲线；最后通过盾鳞沟槽截面轮廓曲线模型建立，最终得到软骨鱼表皮样本上盾鳞沟槽截面轮廓曲线的数学模型。

本发明建立软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线数学模型的方法，其优点在于：（1）对原软骨鱼表皮采用框架加固并进行清洗、固化、脱水、干燥等预处理，未破坏生物原型形貌，其原型结构完好率在97%以上；（2）借助高精度表面轮廓仪对软骨鱼表皮样本进行表面轮廓扫描和成像，其最大分辨率达1 μm、最高定位精度达0.5 μm；（3）所建立的数学模型与生物原型的拟合程度较高，相关系数的平方值R²在0.95以上；（4）采用本发明方法建立的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线数学模型，可以作为数控加工设备制造高逼真仿生减阻表面的数据来源。

附图说明

图1是本发明建立软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线数学模型的方法流程框图。

图2是本发明进行表面轮廓扫描时软骨鱼表皮样本在工作台上的放置示意图。

图3是本发明实施例获取的短尾真鲨表皮样本表面轮廓扫描照片。

图4是本发明实施例截取的短尾真鲨盾鳞沟槽的三维立体图像。

图5是本发明实施例获取的短尾真鲨盾鳞沟槽的二维截面轮廓曲线。

图6A是本发明实施例建立的短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线AB段模型。

图6B是本发明实施例建立的短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线AC段模型。

图中：1、软骨鱼表皮样本 2、轮廓仪工作台 3、轮廓仪扫描触针

4、沟槽原型截取区域 5、AB段沟槽原型截面轮廓曲线 6、AC段沟槽原型截面轮廓曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，包括有下列步骤。

第一步：生物表皮取样及预处理。

（A）将购入的原软骨鱼表皮裁取一定面积经去离子水清洗3～6次，然后将洗净的原软骨鱼表皮在2.5%戊二醛溶液中化学固定6～8h，化学固定温度0～4℃，制得固定表皮样本。

（B）将经（A）步骤制得的固定表皮样本采用去离子水清洗3～6次，然后将洗净的固定表皮样本依次放入浓度50%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度75%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度95%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度100%乙醇溶液中脱水20～30min，制得脱水表皮样本。

（C）将经（B）步骤制得的脱水表皮样本在50～70℃条件下烘8～12h，制得含水率5～10%的干燥表皮样本。

为防止软骨鱼表皮样本皱缩和翘曲，将原软骨鱼表皮四周绷在一夹具上，所述夹具为常用的相框式框架。在固定、脱水、干燥环节中均采用了框架式夹具，能够使软骨鱼表皮样本保持平整。

所述的原软骨鱼表皮可以是短尾真鲨鱼皮、阔口真鲨鱼皮或者黑印真鲨鱼皮等。

此步骤的目的是保持原软骨鱼表皮原型结构，防止组织细胞发生腐败分解，并增加其硬度和强度。

第二步：生物样本表面轮廓扫描与成像。

（A）将第一步制得的软骨鱼干燥表皮样本放在生物显微镜下观察，并利用记号笔在软骨鱼干燥表皮样本上标示出盾鳞的沟槽方向。

（B）将经（A）步骤标记后的软骨鱼表皮样本1用双面胶固定在触针式表面轮廓仪的工作台2上，保持轮廓仪扫描触针3的往复运动方向与软骨鱼盾鳞的沟槽方向相垂直（参见图2所示）。

（C）设置轮廓仪顺沟槽方向和垂直沟槽方向的扫描长度分别为200μm～800μm，设置轮廓仪顺沟槽方向的扫描点数为200～400、垂直沟槽方向的扫描点数为600～1000，扫描完毕后变换扫描区域重复扫描3～5次。

（D）从经（C）步骤扫描后自动生成的扫描图像中选择清晰无噪点的图像，获得软骨鱼表皮样本1的表面轮廓图像（参见图3所示）。

第三步：三维盾鳞沟槽生物原型模型提取。

（A）在第二步制得的软骨鱼表皮样本1表面轮廓图像中选取出单个完整盾鳞，并在该盾鳞上划定矩形区域4以涵盖软骨鱼盾鳞沟槽的主体结构（参见图3所示）。

（B）利用轮廓仪随机自带的图像处理软件对经（A）步骤划定的矩形区域4进行垂直截取，截取出软骨鱼盾鳞沟槽的三维立体图像（参见图4所示）。

所述矩形区域要包含软骨鱼盾鳞鳞棘上的中心脊和两侧副脊，且矩形区域4的一条长边要垂直于盾鳞沟槽方向。

第四步：二维盾鳞沟槽截面轮廓曲线提取。

将第三步制得的软骨鱼盾鳞沟槽三维立体图像借助轮廓仪随机自带的图像进行截面显示处理，得到二维软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线（参见图5所示）。

第五步：盾鳞沟槽截面轮廓曲线模型建立。

（A）将第四步制得的二维软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线进行分段化处理，即将关于中心脊对称的两个沟槽中的一个分为段5和段6，其中段5从沟槽谷底到中心脊峰顶（参见图5中的AB段），段6从沟槽谷底到副脊峰顶（参见图5中的AC段）。

（B）在经（A）步骤划分的段5曲线上等间距选取一定数量的采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3～5阶多项式拟合，便得到软骨鱼盾鳞沟槽该段截面曲线的数学模型。

（C）在经（A）步骤划分的段6曲线上等间距选取一定数量的采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3～5阶多项式拟合，便得到软骨鱼盾鳞沟槽该段截面曲线的数学模型。

实施例：

一种短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法。

参见图1所示，本发明是一种短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，包括有下列步骤。

第一步：生物表皮取样及预处理。

（A）将购入的原短尾真鲨表皮裁取成6㎝×6㎝的大小，先用去离子水清洗5次，然后将洗净的原短尾真鲨表皮在2.5%戊二醛溶液中化学固定8h，化学固定温度4℃，制得固定表皮样本。

（B）将经（A）步骤制得的固定表皮样本采用去离子水清洗5次，然后将洗净的固定表皮样本依次放入浓度50%乙醇溶液中脱水30min、浓度75%乙醇溶液中脱水30min、浓度95%乙醇溶液中脱水30min、浓度100%乙醇溶液中脱水30min，制得脱水表皮样本。

（C）将经（B）步骤制得的脱水表皮样本在70℃条件下烘12h，制得含水率10%的干燥表皮样本。

为防止短尾真鲨表皮样本皱缩和翘曲，将原短尾真鲨表皮四周绷在一夹具上，所述夹具为常用的相框式框架。在固定、脱水、干燥环节中均采用了框架式夹具，能够使短尾真鲨表皮样本保持平整。

此步骤的目的是保持原短尾真鲨表皮原型结构，防止组织细胞发生腐败分解，并增加其硬度和强度。

第二步：生物样本表面轮廓扫描与成像。

（A）将第一步制得的短尾真鲨干燥表皮样本放在生物显微镜下观察，并利用记号笔在短尾真鲨干燥表皮样本上标示出盾鳞的沟槽方向。

（B）将经（A）步骤标记后的短尾真鲨表皮样本1用双面胶固定在触针式表面轮廓仪的工作台2上，保持轮廓仪扫描触针3的往复运动方向与短尾真鲨盾鳞的沟槽方向相垂直（参见图2所示）。

（C）设置轮廓仪顺沟槽方向的扫描长度为300μm、垂直沟槽方向的扫描长度为400μm，设置轮廓仪顺沟槽方向的扫描点数为200、垂直沟槽方向的扫描点数为1000，扫描完毕后变换扫描区域重复扫描5次。

（D）从经（C）步骤扫描后自动生成的扫描图像中选择清晰无噪点的图像，获得短尾真鲨表皮样本的表面轮廓图像（参见图3所示）。

第三步：三维盾鳞沟槽生物原型模型提取。

（A）在第二步制得的短尾真鲨表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整盾鳞，并在该盾鳞上划定矩形区域4以涵盖短尾真鲨盾鳞沟槽的主体结构（参见图3所示）。

（B）利用轮廓仪随机自带的图像处理软件对经（A）步骤划定的矩形区域4进行垂直截取，截取出短尾真鲨盾鳞沟槽的三维立体图像（参见图4所示）。

所述矩形区域包含短尾真鲨盾鳞鳞棘上的中心脊和两侧副脊，且矩形区域4的一条长边垂直于盾鳞沟槽方向。

第四步：二维盾鳞沟槽截面轮廓曲线提取。

将第三步制得的短尾真鲨盾鳞沟槽三维立体图像借助轮廓仪随机自带的图像进行截面显示处理，得到二维短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线（参见图5所示）。

第五步：盾鳞沟槽截面轮廓曲线模型建立。

（A）将第四步制得的二维短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓曲线进行分段化处理，即将关于中心脊对称的两个沟槽中的一个分为段5和段6，其中段5从沟槽谷底到中心脊峰顶（参见图5中的AB段），段6从沟槽谷底到副脊峰顶（参见图5中的AC段）。

（B）在经（A）步骤划分的段5曲线上等间距选取6个采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3阶多项式拟合，得到短尾真鲨盾鳞沟槽段5截面曲线的数学模型（模型曲线参见图6A），其表达式为：

。

（C）在经（A）步骤划分的段6曲线上等间距选取6个采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3阶多项式拟合，得到短尾真鲨盾鳞沟槽段6截面曲线的数学模型（模型曲线参见图6B），其表达式为：

。

经计算，所述两个模型

和

其相关系数的平方值R²分别为0.96和0.98。从短尾真鲨盾鳞沟槽截面轮廓的两个分段模型曲线也可以看出，所建立的数学模型均与生物原型保持较高的拟合程度。

此外，鉴于软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓所具有的对称性结构特点，依据所述的两个分段曲线所建立的两个数学模型可以作为数控加工设备制造高逼真仿鲨鱼减阻表面的数据来源。

Claims

1.一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于包括有下列步骤：

第一步：生物表皮取样及预处理

（A）将购入的原软骨鱼表皮裁取一定面积经去离子水清洗3～6次，然后将洗净的原软骨鱼表皮在2.5%戊二醛溶液中化学固定6～8h，化学固定温度0～4℃，制得固定表皮样本；

（B）将经（A）步骤制得的固定表皮样本采用去离子水清洗3～6次，然后将洗净的固定表皮样本依次放入浓度50%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度75%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度95%乙醇溶液中脱水20～30min、浓度100%乙醇溶液中脱水20～30min，制得脱水表皮样本；

（C）将经（B）步骤制得的脱水表皮样本在50～70℃条件下烘8～12h，制得含水率5～10%的干燥表皮样本；

第二步：生物样本表面轮廓扫描与成像

（A）将第一步制得的软骨鱼干燥表皮样本放在生物显微镜下观察，并利用记号笔在软骨鱼干燥表皮样本上标示出盾鳞的沟槽方向；

（B）将经（A）步骤标记后的软骨鱼表皮样本用双面胶固定在触针式表面轮廓仪的工作台上，保持轮廓仪扫描触针的往复运动方向与软骨鱼盾鳞的沟槽方向相垂直；

（C）设置轮廓仪顺沟槽方向和垂直沟槽方向的扫描长度分别为200μm～800μm，设置轮廓仪顺沟槽方向的扫描点数为200～400、垂直沟槽方向的扫描点数为600～1000，扫描完毕后变换扫描区域重复扫描3～5次；

（D）从经（C）步骤扫描后自动生成的扫描图像中选择清晰无噪点的图像，获得软骨鱼表皮样本的表面轮廓图像；

第三步：三维盾鳞沟槽生物原型模型提取

（A）在第二步制得的软骨鱼表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整盾鳞，并在该盾鳞上划定矩形区域以涵盖软骨鱼盾鳞沟槽的主体结构；

（B）利用轮廓仪随机自带的图像处理软件对经（A）步骤划定的矩形区域进行垂直截取，截取出软骨鱼盾鳞沟槽的三维立体图像；

第四步：二维盾鳞沟槽截面轮廓曲线提取

将第三步制得的软骨鱼盾鳞沟槽三维立体图像借助轮廓仪随机自带的图像进行截面显示处理，得到二维软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线；

第五步：盾鳞沟槽截面轮廓曲线模型建立

（A）将第四步制得的二维软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线进行分段化处理，即将关于中心脊对称的两个沟槽中的一个分为两段，其中一段从沟槽谷底到中心脊峰顶，另一段从沟槽谷底到副脊峰顶；

（B）在经（A）步骤划分的其中一段截面曲线上等间距选取一定数量的采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3～5阶多项式拟合，便得到软骨鱼盾鳞沟槽该段截面曲线的数学模型；

（C）在经（A）步骤划分的另一段截面曲线上等间距选取一定数量的采样点，分别记录各采样点的坐标位置，并对所述采样点进行3～5阶多项式拟合，便得到软骨鱼盾鳞沟槽该段截面曲线的数学模型。

2.根据权利要求1所述的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：第一步中的原软骨鱼表皮是短尾真鲨鱼皮、阔口真鲨鱼皮或者黑印真鲨鱼皮。

3.根据权利要求1所述的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：第二步中借助高精度触针式表面轮廓仪以获取软骨鱼表皮样本的表面轮廓图像。

4.根据权利要求1所述的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：第三步中所划定的矩形区域包含软骨鱼盾鳞鳞棘上的中心脊和两侧副脊，且矩形区域的一条长边要垂直于盾鳞沟槽方向。

5.根据权利要求1所述的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：第五步中对二维软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线进行分段化处理，其中一段从沟槽谷底到中心脊峰顶，另一段从沟槽谷底到副脊峰顶。

6.根据权利要求1所述的软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：第五步中在分段化处理后的每一段截面曲线上分别等间距选取一定数量的采样点，并对所述采样点进行3～5阶多项式拟合，以得到软骨鱼盾鳞沟槽该段截面曲线的数学模型。