CN103043198B - 一种新型仿生鱼尾结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型仿生鱼尾结构，包括鱼尾肌肉、基板和鱼尾，所述鱼尾肌肉由压电材料模拟制成的压电驱动层，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾部；所述鱼尾由纤维增强复合材料制成，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾端。本发明能实现如金枪鱼等采用尾鳍推动模式鱼类的复杂动作，且具有结构简单、重量轻、效率高等的优点。
Description
技术领域
本发明属于仿生领域，主要涉及利用复合材料的各向异性特点来涉及一种新型仿生鱼尾，来模拟出金枪鱼等鱼类所能完成的复杂运动。
背景技术
水下仿生技术是一种以仿生学为基础并结合鱼类长期进化所形成具有的高效运动模式的新技术，以此技术研制的水下航行器延续了早期的在海洋环境的信息监测、水下辅助导航定位、海洋资源勘测等民用方面和在分布式战术的监测、水雷侦察和水下目标的探测、跟踪和定位等军事方面的应用。鱼类推进模式的研究是新型仿生鱼水下推进器的研究基础。依据鱼类推进模式不同，可分为身体/尾鳍模式和中央鳍/对鳍模式，前者是借助身体波动运动或尾鳍摆动运动产生大推进力，在高速巡游和启动方面具有优势；后者是借助尾鳍以外的运动产生推进力，在机动性和稳定性方面具有优势。为了实现仿生鱼小型化和提高其灵活性，如NiTi形状记忆合金驱动、超磁致伸缩薄膜、IPMC等智能材料被应用于仿生鱼的研究。但是这些结构由于受到各种材料的限制，只能进行简单弯曲来前进、上浮和下潜，无法模拟出金枪鱼类所能完成的复杂动作。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种新型仿生鱼尾结构，具有结构简单、重量轻等优点。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种新型仿生鱼尾结构，包括鱼尾肌肉、基板和鱼尾，所述鱼尾肌肉由压电材料模拟制成的压电驱动层，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾部；所述鱼尾由纤维增强复合材料制成，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾端。
作为优选，所述基板也采用纤维增强复合材料。
作为优选，所述纤维增强复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维聚氨酯复合材料。
作为优选，所述压电材料为粗压电纤维复合材料（简称MFC）。
作为优选，所述树脂薄膜采用聚氨酯薄膜。
作为优选，所述鱼尾的材料为玻璃纤维聚氨酯复合材料；所述基板材料为碳纤维环氧复合材料。基板材料选择碳纤维环氧复合材料，主要在于压电驱动层-粗压电纤维复合材料（MFC）是在材料伸缩变形，而鱼尾需要左右平动，为将MFC产生的力尽可能转到推进力中，采用拉伸模量高阻止其伸缩变形的碳纤维环氧复合材料。而鱼尾（尾巴）则不需要考虑伸缩变形，并且是由前部分带动及水的作用而产生的运动，柔性材料更适合于这种结构，因此不需要与基板一样的材料，只需要弹性模量小，刚度低的玻璃纤维聚氨酯复合材料。
作为优选，所述压电驱动层和基板中的纤维方向之间角度为0°～90°。压电驱动层的压电材料和基板材料都是纤维复合材料，其中纤维方向为复合材料的主方向，也是主要弹性模量方向，而各向同性材料每个方向弹性模量都一致。在铺设压电材料和基板材料的纤维方向一致时，相当于压电材料与各向同性材料铺设一样，只产生弯曲变形。于是压电材料和极板材料的纤维方向具有一定角度铺设时，从而可以实现各种复杂动作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：能实现如金枪鱼等采用尾鳍推动模式鱼类的复杂动作，且具有结构简单、重量轻、效率高等的优点。
附图说明
图1为本发明所述仿生鱼尾结构的结构示意图；
图2为图1的侧视图。
其中，压电驱动层1、基板2、鱼尾3、树脂薄膜4、夹具5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1～2所示，现针对金枪鱼新月尾形状，具体说明本发明所述仿生鱼尾结构的设计过程。它包括基板、鱼尾、鱼尾肌肉和夹具，其中各部分采用的材料如下：粗压电复合材料（MFC）被用作压电驱动材料模拟鱼尾肌肉制成压电驱动层，基板和鱼尾的材料选用碳纤维环氧型增强复合材料，夹具则采用有机玻璃。并且，所述基板采用碳纤维环氧型复合材料各向异性，拉伸模量大、弯曲模量小，在压电材料作用时能产生大变形，并且基板长度尺寸要大于压电驱动层的尺寸；而所述鱼尾采用玻璃纤维聚氨酯复合材料，其相对于基板的碳纤维环氧复合材料，弹性模量更小、刚度更低、柔性更好，变形更大。
压电驱动层通过高温固化方法用聚氨酯薄膜粘结到基板2的靠近尾部处，而鱼尾4也用同样方法粘结到基板2的尾端上，然后用夹具5夹住基板前端，并用4个M5螺栓拧紧夹具。在裁剪纤维增强复合材料基板2时，根据设计需要，可以将裁剪方向与材料主方向成一定角度来剪出所需基板形状，然后将压电驱动层1按照鱼尾形状粘结到基板上，满足上下两层板主方向成一定角度的要求。本实施例中，裁剪基板时，裁剪方向与材料主方向（即纤维方向）成一定角度，例如45°时，当提供高电压（1000Vp）低频率（10Hz）时，鱼尾会产生较大幅度的弯曲摆动以及扭曲摆动。
Claims (2)
1.一种新型仿生鱼尾结构，其特征在于：包括鱼尾肌肉、基板和鱼尾，所述鱼尾肌肉由压电材料模拟制成的压电驱动层，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾部；所述鱼尾由纤维增强复合材料制成，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾端；所述压电材料为粗压电纤维复合材料；所述鱼尾的材料为玻璃纤维聚氨酯复合材料；所述基板材料为碳纤维环氧复合材料；所述压电驱动层和基板中的纤维方向之间角度为0°～90°。
2.根据权利要求1所述新型仿生鱼尾结构，其特征在于：所述树脂薄膜采用聚氨酯薄膜。
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