CN106043591A - 一种用于水面水下航行器的减阻装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水面水下航行器的减阻装置及其制备方法，属于船舶制造技术领域。本发明所提供的减阻装置包括平行设置的盾鳞层和支撑层，以及位于盾鳞层和支撑层之间的缓释层，其中，在支撑层上加工有通道层，盾鳞层表面设有与缓释层连通的溢出孔，缓释层通过连通孔与通道层连通，缓释层包括多个呈锯齿状的迷宫流道，通道层由宽度不同呈树枝状分布的多级通道组成，宽度最小的通道通过连通孔与缓释层连通。同时本发明还提供了制备减阻装置的方法。用本发明的制作方法制成的高逼真仿鲨鱼减阻结构，不仅具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，而且可缓释减阻剂，从而实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。

Description

一种用于水面水下航行器的减阻装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于水面水下航行器的减阻装置及其制备方法，属于船舶制造技术领域。

背景技术

鲨鱼属于典型的可高速游动的软骨鱼类。鲨鱼成菱形连续铺排的盾状鳞片以及高速机动时鳞下表皮瞬时分泌出的黏液是鲨鱼快速游动的主要原因。为了节省能量鲨鱼每次所分泌的粘液量通常很少，只在鳞片表面形成一层高分子薄膜，且该薄膜随消耗随补充，是一种缓慢释放的过程。鲨鱼表皮沟槽微形貌与粘液微缓释共同构成了复合减阻的“鲨鱼皮效应”，因此，复制鲨鱼盾鳞沟槽微观形貌、模仿鲨鱼皮减阻机理、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。

目前在水下航行器仿鲨鱼减阻领域，主要采用仿形沟槽(如V形、U形、L形)替代鲨鱼鳞片沟槽，用水溶性减阻剂代替鲨鱼黏液，并将后者直接合成或涂覆于前者表面而展开，有一定的减阻率，但该种仿鲨鱼减阻结构存在鳞片沟槽不逼真、缓释效果差或无缓释效果、减阻剂释放量大不易补充等问题，不仅减阻效率有待提高，而且使用维护成本相对较高。

3D打印作为一种新型的加工技术，在仿生领域因其打印精度高、打印材料可功能性组合、可成型复杂结构等优点而得到广泛的应用，利用3D打印技术可实现仿鲨鱼微结构的精确复制，达到外观上的一致性。

发明内容

为解决现有技术中水下水面航行器减阻装置减阻效率低，维护成本高，减阻剂缓释效果差的技术问题，本发明提供了一种用于水面水下航行器的减阻装置，所采取的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种用于水面水下航行器的减阻装置，该减阻装置包括平行设置的盾鳞层和支撑层，以及位于盾鳞层和支撑层之间的缓释层，其中，在支撑层上加工有通道层，盾鳞层表面设有与缓释层连通的溢出孔，缓释层通过连通孔与通道层连通，缓释层包括多个呈锯齿状的迷宫流道，通道层由宽度不同呈树枝状分布的多级通道组成，宽度最小的通道通过连通孔与缓释层连通。

优选地，所述缓释层1所在平面与盾鳞层10平行。

优选地，所述通道层12分为宽度依次递减的I级通道5，II级通道6和III级通道7，其中，I级通道5通过II级通道6与III级通道7连接。

更优选地，所述I级通道5宽度为8～10mm，深度为1～2mm；所述II级通道6宽度为4～6mm，深度为1～2mm；所述III级通道7宽度为2～3mm，深度为1～1.5mm；所述I级通道5每平方分米2～3条；所述II级通道6每平方分米6～8条；所述III级通道7每平方分米12～16条。

优选地，所述迷宫流道3通过迷宫流道进水口2的连通孔8连通，通过迷宫流道出水孔4与溢出孔9连通；所述迷宫流道进水口2和迷宫流道出水孔4的长度和宽度为1.0～1.5mm；邻近的迷宫流道3通过相互咬合的方式形成缓释层1.

更优选地，所述迷宫通道3的单个锯齿为底边长0.4～0.6mm，高为0.8～1.2mm，厚度为0.5～0.8mm的等腰三角形；相邻锯齿，间距为0.1-0.2mm，锯齿数量为12～16个。

优选地，所述迷宫流道3每平方分米30～40个，所述连通孔8的直径为0.8～1.2mm，数量与迷宫流道3的个数相同。

优选地，盾鳞层10的外表面到支撑层11的外表面的距离为3～5mm。

本发明的另一目的在于提供一种以上所述减阻装置的制备方法，该制备方法的步骤如下：

1)利用电子显微镜获取鲨鱼表皮的微观形貌结构；

2)根据步骤1)获得的微观形貌结构建立3D打印模型；

3)利用3D打印技术打印出盾鳞层、支撑层、流通层的各级通道、连通孔和缓释层的主体结构；

4)利用飞秒激光技术加工缓释层的迷宫通道和盾鳞层的溢出孔，加工完后获得减阻装置。

优选地，步骤4)飞秒激光加工时的技术参数为：激光波长400～800nm，功率80～100MW，加工速度为15～20μm/s。

本发明获得的有益效果：

用本发明的制作方法制成的高逼真仿鲨鱼减阻结构，不仅具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，而且可缓释减阻剂，从而实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。

滴灌是一种精确灌溉农业的高新技术，有着广阔的应用前景，为保证灌溉质量，滴灌装置开设有迷宫流道，起到缓慢释放液体的作用。发明人偶然间受到农业滴灌技术的启发，创造性地将农业精确灌溉领域的技术与仿生技术相结合应用到水面水下航行设备技术领域，达到了对鲨鱼皮内部结构的高度仿生，结合飞秒激光加工技术加工出迷宫流道，作为减阻剂的通道，起到微缓释作用。

由于缓释层内部迷宫流道尺寸小，加工精度要求高，普通加工方式难以满足要求。飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值能量，能够聚焦到透明介质内部，可以实现三维空间内几乎任意形状的加工。飞秒激光的加工过程主要表现为对材料的烧蚀，材料直接气化，因此激光光斑的能量密度须超过材料的损伤阈值。根据飞秒激光高斯光斑特性，通过控制峰值能量，进而控制加工区域，实现了微米级的精加工。

附图说明

图1为本发明的减阻装置的整体结构示意图。

图2为本发明减阻装置的省略盾鳞的盾鳞层俯视图。

图3为本发明减阻装置省略支撑层后的仰视结构示意图。

图4为本发明减阻装置省略盾鳞后的截面结构示意图。

图5为本发明迷宫通道的结构示意图。

图6为制备本发明减阻装置的方法流程示意图。

图中，1，缓释层；2，迷宫流道进水口；3，迷宫流道；4，迷宫流道出水口；5，I级通道；6，II级通道；7，III级通道；8，连通孔；9，溢出孔；10，盾鳞层；11，支撑层；12，通道层。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步详细说明，但以下详细说明不是对本发明的进一步限制。

图1为本发明所提供的减阻装置的整体结构示意图。图2为本发明减阻装置的省略盾鳞的盾鳞层俯视图。图3为本发明减阻装置省略支撑层后的仰视结构示意图。图4为本发明减阻装置省略盾鳞后的截面结构示意图。图5为本发明迷宫通道的结构示意图。

从图1-5中可知，该减阻装置的上表面为盾鳞层10，下表面为支撑层11，缓释层1位于盾鳞层10和支撑层11之间，在支撑层11上加工有通道层12。在盾鳞层10上分布有用于释放减阻剂的溢出孔9。其中，通道层12便于减阻剂的流通，而缓释层1则通过其内部的迷宫流道3缓释减阻剂。

其中，通道层12分为宽度依次减小的I级通道5，II级通道6和III通道7。III级通道7通过连通孔8与缓释层1连通。缓释层1是由多组多个呈锯齿状的迷宫流道3组成。迷宫流道3的两端分别设有迷宫流道出水口4和迷宫流道进水口2。迷宫流道进水口2通过连通孔8与通道层12连通，迷宫流道出水孔4通过溢出孔9将减阻剂释放到减阻装置外。

整个减阻装置的厚度，即从盾鳞层10的外表面到支撑层11的外表面的距离为3～5mm。采用这种尺寸设计，可以使仿鲨鱼减阻微结构在使用过程中，即具有一定强度，又不至于过重。盾鳞层10上的溢出孔均匀分布，数量为每平方分米30～40个。支撑层11上加工出的通道层12中I级通道5的宽度8mm～10mm，深度为1mm～2mm，数量为每平方分米2～3条。Ⅱ级通道6的宽度为4mm～6mm，深度为1mm～2mm。Ⅱ级通道6与Ⅰ级通道5相连，且Ⅱ级通道6的数量为每平方分米6～8条。Ⅲ级通道7的宽度为2mm～3mm，深度为1mm～1.5mm，Ⅲ级通道7与Ⅱ级通道6相连，Ⅲ级通道7的数量为每平方分米12～16条。连通孔8的直径为0.8mm～1.2mm，且均匀分布，每平方分米30～40个。连通孔8的数量与迷宫流道3的数量相同。

迷宫流道3的出水孔和进水孔的长度和宽度控制在1.0～1.5mm之间。相邻的迷宫流道3通过相互咬合形成缓释层1。其中迷宫流道3的单个锯齿结构为底边长0.4mm～0.6mm，高为0.8mm～1.2mm，厚度为0.5mm～0.8mm的等腰三角形状。迷宫流道3的长度为8mm～10mm，宽度为1.5mm～2mm，深度为0.5mm～0.8mm，相邻的锯齿间距为0.1～0.2mm，锯齿数量为12～16个。与迷宫流道3出口连通的溢出孔9的直径为0.8mm～1.2mm。

实施例1

本实施例提供了一种制备本发明减阻装置的方法，该方法的流程如图6所示，具体步骤如下：

第一步：鲨鱼表皮微观形貌的获取

利用电子显微镜获取鲨鱼表皮微观形貌。

第二步：3D打印模型的建立

根据第一步获得的微观形貌结构，构建鲨鱼表皮微观结构3D打印模型，为3D打印做准备。

第三步：3D打印玻璃制作高逼真鲨鱼减阻微结构主体

利用3D打印技术和玻璃线材，制作出仿鲨鱼减阻微结构，制作出边长为10cm的正方形结构，仿鲨鱼减阻微结构背面制作有减阻剂通道层12和连通孔8。

仿鲨鱼减阻微结构的厚度为4mm。

通道采用长条形，I级通道5宽8mm，深1mm，II级通道6宽5mm，深1mm，III级通道7宽2mm，深1mm。

通道均匀分布，I级通道5平行开设2条，间隔50mm，II级通道6与I级通道5相连通，开设6条，III级通道7与II级通道6相联通，开设14条。

在III级通道7内设有联通仿鲨鱼减阻微结构背面与迷宫流道3的连通孔8，孔径1mm，均匀分布，开设有35个，深度0.5mm。

第四步：迷宫流道的制作

将所得的仿鲨鱼减阻微结构主体利用飞秒激光加工迷宫流道3，用于缓释减阻剂。采用蒸馏水辅助以保证加工前段光路的完整性，同时由于毛细作用，水会进入已加工的微孔，及时带走玻璃的烧蚀碎屑。

飞秒激光的波长为400nm，功率为80mw，加工速度为15μm/s。

迷宫流道长度为10mm，宽度为1.6mm，深度为0.5mm。

迷宫流道进水口2长为1.8mm，宽为1.6mm，出水口4长为1.5mm，宽为1.6mm。

迷宫流道3为由均匀分布的锯齿相互咬合形成迷宫，锯齿为底边长0.6mm，高为1mm，厚度为0.5mm的等腰三角形状，锯齿个数14个。

减阻剂溢出孔9的直径为1.0mm，与迷宫流道出水孔4相联通，均匀分布35个。

采用制备出的减阻结构验证水面航行和减阻剂缓释效果，结果1L减阻剂作用在1m²该装置上，该装置的水体有效减阻为10％，减阻剂缓释时间为15天。

实施例2

本实施例提供了一种减阻装置的制备方法，与实施例1的不同在于：

飞秒激光加工时的技术参数为：波长800nm，功率100mW，加工速度为20μm/s。

加工出的支撑层11上I级通道5的宽度10mm，深度为2mm，数量为每平方分米3条。Ⅱ级通道6的宽度为6mm，深度为2mm。8条。Ⅲ级通道7的宽度为3mm，深度为1.5mm，连通孔8的数量与迷宫流道3的数量相同。

迷宫流道3的单个锯齿结构为底边长0.4mm，高为1.2mm，厚度为0.8mm的等腰三角形状。迷宫流道3的长度为10mm，宽度为1.5mm，深度为0.8mm，相邻的锯齿间距为0.1mm，锯齿数量为16个。与迷宫流道3出口连通的溢出孔9的直径为1.0mm。

采用制备出的减阻结构验证水面航行和减阻剂缓释效果，结果1L减阻剂作用在1m²该装置上，该装置的水体有效减阻为13％，减阻剂缓释时间为20天。

采用该种方法制作的仿鲨鱼结构，不仅在外观上具有逼真的形貌，而且在结构内部具有迷宫流道，可缓慢释放减阻剂，形成减阻效果更好的复合减阻模式。1L减阻剂作用在1m2该装置可维持缓释效果15～20天，在水体有效减阻10％～13％。与同样面积的发明人在先设计的减阻结构(201110261668.8)相比，虽然其减阻效率达到12～14％，稍高于本申请，这可能与其减阻剂大量补充有关，但是在先设计的减阻结构由于没有缓释层，1L减阻剂在1～2天内就全部使用完毕，其所用时间过短，需要大量的减阻剂作为后备予以补充。本申请在基本保证减阻效率不降低的情况下，有效地大幅度延长了减阻剂的缓释时间，缓释时间最多可延长20倍。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于水面水下航行器的减阻装置，其特征在于，包括平行设置的盾鳞层(10)和支撑层(11)，以及位于盾鳞层(10)和支撑层(11)之间的缓释层(1)，其中，在支撑层(11)上加工有通道层(12)，盾鳞层(10)表面设有与缓释层(1)连通的溢出孔(9)，缓释层(1)通过连通孔(8)与通道层(12)连通，缓释层(1)包括多个呈锯齿状的迷宫流道(3)，通道层(12)由宽度不同呈树枝状分布的多级通道组成，宽度最小的通道通过连通孔(8)与缓释层(1)连通。

2.权利要求1所述的减阻装置，其特征在于，所述缓释层(1)所在平面与盾鳞层(10)平行。

3.权利要求1所述的减阻装置，其特征在于，所述通道层(12)分为宽度依次递减的I级通道(5)，II级通道(6)和III级通道(7)，其中，I级通道(5)通过II级通道(6)与III级通道(7)连接。

4.权利要求3所述的减阻装置，其特征在于，所述I级通道(5)宽度为8～10mm，深度为1～2mm；所述II级通道(6)宽度为4～6mm，深度为1～2mm；所述III级通道(7)宽度为2～3mm，深度为1～1.5mm；所述I级通道(5)每平方分米2～3条；所述II级通道(6)每平方分米6～8条；所述III级通道(7)每平方分米12～16条。

5.权利要求1所述的减阻装置，其特征在于，所述迷宫流道(3)通过迷宫流道进水口(2)的连通孔(8)连通，通过迷宫流道出水孔(4)与溢出孔(9)连通；所述迷宫流道进水口(2)和迷宫流道出水孔(4)的长度和宽度为1.0～1.5mm；邻近的迷宫流道(3)通过相互咬合的方式形成缓释层(1)。

6.权利要求5所述的减阻装置，其特征在于，所述迷宫通道(3)的单个锯齿为底边长0.4～0.6mm，高为0.8～1.2mm，厚度为0.5～0.8mm的等腰三角形；相邻锯齿，间距为0.1-0.2mm，锯齿数量为12～16个。

7.权利要求1所述的减阻装置，其特征在于，所述迷宫流道(3)每平方分米30～40个，所述连通孔(8)的直径为0.8～1.2mm，数量与迷宫流道(3)的个数相同。

8.权利要求1所述的减阻装置，其特征在于，盾鳞层(10)的外表面到支撑层(11)的外表面的距离为3～5mm。

9.一种权利要求1-8任一所述减阻装置的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)利用电子显微镜获取鲨鱼表皮的微观形貌结构；

2)根据步骤1)获得的微观形貌结构建立3D打印模型；

3)利用3D打印技术打印出盾鳞层、支撑层、流通层的各级通道、连通孔和缓释层的主体结构；

4)利用飞秒激光技术加工缓释层的迷宫通道和盾鳞层的溢出孔，加工完后获得减阻装置。

10.权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤4)飞秒激光加工时的技术参数为：激光波长400～800nm，功率80～100MW，加工速度为15～20μm/s。