CN106741590A - 一种水下静音、减阻、防污仿生壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下静音、减阻、防污仿生壳体，属于船舶与海洋工程领域。其特征是硬质壳基体外表面分布平行状或放射状U型沟槽，U型沟槽由在基体外表面上若干条微型脊状结构形成，在各沟槽内基体外表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑。本发明基体表面的沟槽与凹坑设计，使得波在壳体传播过程中受到阻碍，实现振动传递的有效控制，进而降低辐射声，同时通过对表面与流体接触的有效控制，影响阻力的产生，达到节能减阻目的，还可造成水下生物附着不牢固而极易脱落，提升壳体表面防污能力。

Description

一种水下静音、减阻、防污仿生壳体

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程领域。本发明涉及一种仿生壳体，特别是涉及一种兼具静音、减阻、防污特性的水下仿生壳体。

背景技术

船舶是复杂的大型动力机械结构，其减振降噪技术一直是工程研究的重点之一。结构过度振动以及由振动引起的噪声将导致船员身体不适，降低工作效率，甚至损害健康。同时船上的一些精密设备仪器若长期工作在强烈振动环境下，使用寿命缩短，甚至损坏发生故障，影响船舶的正常运营。此外，船体产生的辐射噪声对海洋生物会产生不利影响。在人类利用海洋的同时，也应重视对海洋环境及其生态的保护。为降低船体振动噪声，现有技术一般在船舶内部采取吸振、隔振等措施。除此之外，亦可对船体表面进行合适的降噪结构设计，保证船舶正常工作并减少海洋环境噪声污染。

除了需对船体表面进行降噪处理，船舶作为海上运输或作业的主要交通工具，船体表面保护问题也越来越受到重视。船舶在海洋航行过程中，污损生物会附着在船体表面，增加船体载重量和船舶摩擦力，降低船舶速度，加剧船体腐蚀，影响船波导动力性、经济性和安全性。为了减小海洋污损生物对船舶附着造成船体结构破坏以及增大阻力的影响，目前应对方法是在船舶表面涂上一层有毒的涂料，涂料在浸水环境下会缓慢水解释放出铜、汞、锡、铅等重金属来毒杀海洋中的生物，但这些毒料的释放和沉积破坏了海洋中的生态平衡，对人体健康也间接造成影响。理想的防污涂料是不含生物灭杀剂且具有使污损物易脱落的能力。研究发现，海洋中的许多生物表皮并不是光滑的，而是存在微米级的结构，这种微结构对其防污减阻性能起着巨大的作用。通过对船体表面结构的设计，改善船体表面防污减阻能力，并降低噪声辐射，是有待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种水下静音、减阻、防污仿生壳体，通过对水下结构表面进行非光滑形态处理，使其具有特殊表面形状，在改变其力学性能、声学性能的基础上实现静音、减阻、防污等目的。

通过对仿生材料的尺寸参数、表界面特性、力学特性等各方面性质的研究，开展相应的理论研究工作，进一步通过调控材料的组成以及结构参数，实现对自然界特殊功能的模拟，并最终在某些方面超越自然，是仿生表面材料有待突破的关键理论和技术问题。

非光滑形态是通过对生物体材料的结构和静态学、动力学性能研究提出来的仿生新思想。按照传统观念，物体表面越光滑，受到的摩擦阻力越小，减小表面摩擦的途径，就是减小表面粗糙度。但是现代大量实验证明，这种理论只适用于物体的低速运动，当物体处于高速运动时，物体表面的湍流边界层中紊乱的压力和速度分布，会增大流体与表面之间的摩擦阻力，这并不符合表面越光滑阻力越小的理论。自然界中，在天空飞翔的生物，其体表或翅膀表面是由羽毛组成的低能量非光滑表面；从天而降的陨石，表面也是布满各种纹理；在水中遨游的生物，其体表是由鳞片或皮下结缔组织构成的非光滑表面。

一般来说，海洋污损物的附着量与船舶停靠时间成正比，停靠时间越长，附着量越大。贝壳通常以相对静止的状态存在于海洋中，即使移动起来也很缓慢，因此选择贝壳作为仿生对象更符合船体表面主要在静止状态下发生污损，动态下又需要减阻的实际情况。贝壳的种类很多，表面纹理也不尽相同，其本身具有一定的天然弧度，表面有沟槽结构纹理。贝壳表面的波纹状微观结构作为贝类表面能够防止污损生物附着的一种假设，为船舶仿生防污减阻技术的应用提供了新的思路。

船体表面仿生非光滑表面形态的有效设计，可以减少船体所受到的阻力，进而减少能源消耗，增加运行速度。对于来源于固体壁面与流体相互作用的噪声，如能有效地控制湍流边界层，减小壁面的阻力，将对降噪产生重要影响。此外，非光滑形态设计使船体机械阻抗发生改变，对于振动传递产生阻碍作用，进而降低噪声辐射。通过对生物体表面非光滑形态的研究，致使兼具静音、减阻、防污特性的水下仿生壳体设计思想的形成。通过对水下结构表面进行处理，使其表面具有某种特殊形状，从而改变其性能。

本发明基于上述思想，为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征是硬质壳基体外表面分布平行状或放射状U型沟槽，U型沟槽由在基体外表面上若干条微型脊状结构形成，在各沟槽内基体外表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑。

所述水下静音、减阻、防污仿生壳体，脊状结构宽度即U型沟槽壁厚度为0.01mm～2cm，槽壁高度为0.01mm～2cm。

所述水下静音、减阻、防污仿生壳体，平行状U型沟槽宽度为2mm～10cm，放射状U型沟槽的最大宽度为2mm～10cm。

所述水下静音、减阻、防污仿生壳体，U型沟槽内基体外表面上分布的球冠形凹坑底圆直径为0.2mm～1cm，凹坑间距为0.2mm～5cm。

所述水下静音、减阻、防污仿生壳体，U型沟槽内基体外表面上分布的球冠形凹坑深度占基体厚度的0.1％～50％。

发明的有益效果在于：1)壳体基体表面非光滑形态的设计，结构内部存在大量突变截面，导致结构机械阻抗的频繁突变，波在壳体传播过程中受到阻碍，实现振动传递的有效控制，进而降低辐射声；2)壳体基体表面非光滑形态，能够改变壳体与流体的接触、流动和脱离过程中的流体力学特征，通过对表面与流体接触的有效控制，改变边界层的厚度，影响阻力的产生，达到节能减阻目的；3)壳体非光滑形态微型凹坑及沟槽设计，造成附着生物的附着点不能深入凹坑或凹槽，而是跨在几个凹坑、凹槽上，造成生物的附着不牢固而极易脱落，进而提高壳体表面防污能力。

附图说明

图1：放射状U型沟槽仿生壳体示意图。

图2：U型沟槽局部放大示意图。

图3：平行状U型沟槽仿生壳体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

如图1所示为本发明放射状U型沟槽仿生壳体示意图，图2所示为U型沟槽局部放大示意图。基体1外表面分布放射状U型沟槽2，放射状U型沟槽2由在基体1外表面上若干条微型脊状结构3形成，在各沟槽2内基体1表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑4。U型沟槽2壁厚度为4mm，槽壁高度为3mm，U型沟槽2最大宽度为15mm。U型沟槽2内基体1外表面上分布的球冠形凹坑4底圆直径为4mm，凹坑4间距为8mm，凹坑4深度占基体1厚度的30％。

实施例二：

如图3所示为本发明平行状U型沟槽仿生壳体示意图。基体1外表面分布平行状U型沟槽2，平行状U型沟槽2由在基体1外表面上若干条微型脊状结构3形成，在各沟槽2内基体1外表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑4。U型沟槽2壁厚度为4mm，槽壁高度为3mm。U型沟槽2宽度为1cm。U型沟槽2内基体1外表面上分布的球冠形凹坑4底圆直径为3mm，凹坑4间距为6mm，凹坑4深度占基体1厚度的20％。

Claims (5)

1.一种水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征在于：硬质壳基体1外表面分布平行状或放射状U型沟槽2，U型沟槽2由在基体1外表面上若干条微型脊状结构3形成，在各沟槽2内基体1外表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑4。

2.根据权利要求1所述的水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征在于：脊状结构3宽度即U型沟槽2壁厚度为0.01mm～2cm，槽壁高度为0.01mm～2cm。

3.根据权利要求1或2所述的水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征在于：平行状U型沟槽2宽度为2mm～10cm，放射状U型沟槽2的最大宽度为2mm～10cm。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征在于：U型沟槽2内基体1外表面上分布的球冠形凹坑4底圆直径为0.2mm～1cm，凹坑4间距为0.2mm～5cm。

5.根据权利要求4所述的水下静音、减阻、防污仿生壳体，其特征在于：U型沟槽2内基体1外表面上分布的球冠形凹坑4深度占基体1厚度的0.1％～50％。