CN106081033A - 展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，包括仿生尾鳍、PLC控制器、电机、水槽、测试装置、导轮和PIV测试系统；所述仿生尾鳍的内部设置有展向孔和压力传感器，所述展向孔内固定有金属线材，所述卷绕装置与电机通过传动轴转动连接，所述PLC控制器通过传输导线与压力传感器和电机相连接，所述水槽的左上方安装有水泵，所述扩散孔与导流板之间安装有第一蜂窝整流板，所述测试装置安装在示踪粒子注入口和第二蜂窝整流板之间，所述导轮与导杆通过L型连杆连接，所述导杆与仿生尾鳍连接。本发明具有高推进效率，低噪音的优点；高效率的振动翼推进器能够大大节省能量，提高续航能力，用于水中探测时就能延长工作时间。

Description

展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置

技术领域

本发明涉及仿生设备技术领域，具体为展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置。

背景技术

海豚是由陆生哺乳动物进化而成，它的祖先属偶蹄目，于5000万年前进入水中生活，在这个过程中，它们原本被毛的体表变成了光滑的皮肤，并在皮肤下形成了一层很厚的脂肪层，以达到隔绝冷水保持体温的功能，它的身体也变为流线型，外耳结构逐渐消失，使之减少了游泳时的阻力，鼻子也进化为头顶部的呼吸孔，这使它更便于在运动时呼吸。

海豚的主要推进器官是新月形尾鳍，依靠摆动尾鳍，海豚最高速度可达15m/s。对于海豚的高速游动最早在1936年，Gray通过实验观测提出了著名的Gray悖论(Gray’sParadox)，他通过比较游速为15-20节的活体海豚和以同样速度拖弋海豚模型所消耗的能量，发现后者大约是前者的7倍，因而推测活体海豚具有减小水阻力的能力。

海豚尾鳍运动是俯仰运动和沉浮运动的组合，沉浮运动主要产生击水运动，而俯仰运动为尾鳍的击水运动提供合适的攻角。海豚的游动模式类似鱼类游动模式中的鲔科模式，在该模式中，身体的前部基本失去柔性，推进运动仅限于身体的后1/3部分，特别是尾鳍至尾柄处，通常尾部运动可产生90％的推进力。鲔科结合月牙形尾鳍推进方式是效率最高，速度最快的推进方式，除海豚外金枪鱼,旗鱼等高速鱼类也采用这种游泳方式。

发明内容

本发明的目的在于提供展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，以解决上述背景技术中提出的问题，所具有的有益效果是；具有高推进效率，低噪音等优点；高效率的振动翼推进器能够大大节省能量，提高续航能力，用于水中探测时就能延长工作时间；低噪音减小了对周遭的噪声污染。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，包括仿生尾鳍、PLC控制器、电机、水槽、测试装置、导轮和PIV测试系统；所述仿生尾鳍的内部设置有展向孔和压力传感器，且仿生尾鳍的右端面上安装有仿生脊背，所述展向孔内固定有金属线材，且金属线材穿过仿生脊背与卷绕装置连接，所述卷绕装置与电机通过传动轴转动连接，所述PLC控制器通过传输导线与压力传感器和电机相连接，所述水槽的左上方安装有水泵，且水泵上设置有扩散口，所述扩散孔与导流板之间安装有第一蜂窝整流板，且导流板的左下方安装有第二蜂窝整流板，所述测试装置安装在示踪粒子注入口和第二蜂窝整流板之间，所述导轮与导杆通过L型连杆连接，且导轮的左侧安装有测力传感器，所述导杆与仿生尾鳍连接。

优选的，所述电机固定安装在固定架上，且电机上安装有接线盒。

优选的，所述导轮与导轮轴固定连接，且导轮轴上装有动态扭矩传感器，所述导轮的顶部与线性滑轨滑动连接。

优选的，所述仿生尾鳍的下方和右上方设置有PIV测试系统。

优选的，所述导杆有两条。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用仿生学的原理，开发了振动翼推进装置。与传统的螺旋桨相比，仿生的振动翼推进器主要具有高推进效率，低噪音等优点；高效率的振动翼推进器能够大大节省能量，提高续航能力，用于水中探测时就能延长工作时间；低噪音减小了对周遭的噪声污染，用于军事目的时更不易被发现；高性能的振动翼推进器无论在复杂海洋环境下海底探测，水下作业，还是军事用途都有极其重要的意义。

附图说明

图1为本发明仿生尾鳍的结构示意图；

图2为本发明水槽的结构示意图；

图3为本发明测试装置的结构示意图。

图中：1-仿生尾鳍；2-展向孔；3-压力传感器；4-传输导线；5-PLC控制器；6-固定架；7-电机；8-传动轴；9-卷绕装置；10-仿生脊背；11-金属线材；12-水泵；13-扩散口；14-第一蜂窝整流板；15-水槽；16-导流板；17-示踪粒子注入口；18-测试装置；19-第二蜂窝整流板；20-线性滑轨；21-测力传感器；22-导轮；23-L型连杆；24-导杆；25-PIV系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供的一种实施例：展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，包括仿生尾鳍1、PLC控制器5、电机7、水槽15、测试装置18、导轮22和PIV测试系统25；仿生尾鳍1的内部设置有展向孔2和压力传感器3，且仿生尾鳍1的右端面上安装有仿生脊背10，展向孔2内固定有金属线材11，且金属线材11穿过仿生脊背10与卷绕装置9连接，卷绕装置9与电机7通过传动轴8转动连接，PLC控制器5通过传输导线4与压力传感器3和电机7相连接，水槽15的左上方安装有水泵12，且水泵12上设置有扩散口13，扩散孔13与导流板16之间安装有第一蜂窝整流板14，且导流板16的左下方安装有第二蜂窝整流板19，测试装置18安装在示踪粒子注入口17和第二蜂窝整流板19之间，导轮22与导杆24通过L型连杆23连接，且导轮22的左侧安装有测力传感器21，导轮22的顶部与线性滑轨20滑动连接，导杆24与仿生尾鳍1连接，电机7固定安装在固定架6上，且电机7上安装有接线盒，导轮22与导轮轴固定连接，且导轮轴上装有动态扭矩传感器，仿生尾鳍1的下方和右上方设置有PIV测试系统25，导杆24有两条。

工作原理；使用时，从测试区下游的示踪粒子注入口17注入含示踪粒子的水，仿生尾鳍1的尾涡流场由PIV测试系统25进行分析，PIV测试系统25中的PIV技术是流体力学测量研究中重要的技术，能够直观地了解流场结构；运用PIV技术可视化仿生尾鳍1尾涡的产生和脱落过程以及尾流速度场和尾涡涡量，进而对仿生尾鳍1的水力学特征进行评价；振动翼的推进效率η定义为：其中M(t)为导轮轴扭矩，T为周期，p(t)为推力，U为来流速度，M0为无振动翼时导轮轴扭矩，ω为导轮22角速度，P(t)为控制系统功率，通过测量数据的计算可知，实施前的技术指标低于40％，实施后的指标技术远大于60％，可见仿生尾鳍1的设计和性能的研究，具有重大意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，包括仿生尾鳍(1)、PLC控制器(5)、电机(7)、水槽(15)、测试装置(18)、导轮(22)和PIV测试系统(25)；其特征在于：所述仿生尾鳍(1)的内部设置有展向孔(2)和压力传感器(3)，且仿生尾鳍(1)的右端面上安装有仿生脊背(10)，所述展向孔(2)内固定有金属线材(11)，且金属线材(11)穿过仿生脊背(10)与卷绕装置(9)连接，所述卷绕装置(9)与电机(7)通过传动轴(8)转动连接，所述PLC控制器(5)通过传输导线(4)与压力传感器(3)和电机(7)相连接，所述水槽(15)的左上方安装有水泵(12)，且水泵(12)上设置有扩散口(13)，所述扩散孔(13)与导流板(16)之间安装有第一蜂窝整流板(14)，且导流板(16)的左下方安装有第二蜂窝整流板(19)，所述测试装置(18)安装在示踪粒子注入口(17)和第二蜂窝整流板(19)之间，所述导轮(22)与导杆(24)通过L型连杆(23)连接，且导轮(22)的左侧安装有测力传感器(21)，所述导杆(24)与仿生尾鳍(1)连接。

2.根据权利要求1所述的展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，其特征在于：所述电机(7)固定安装在固定架(6)上，且电机(7)上安装有接线盒。

3.根据权利要求1所述的展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，其特征在于：所述导轮(22)与导轮轴固定连接，且导轮轴上装有动态扭矩传感器，所述导轮(22)的顶部与线性滑轨(20)滑动连接。

4.根据权利要求1所述的展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，其特征在于：所述仿生尾鳍(1)的下方和右上方设置有PIV测试系统(25)。

5.根据权利要求1所述的展向刚度被动控制的仿生海豚尾鳍设计与性能研究装置，其特征在于：所述导杆(24)有两条。