CN109484596A - 浸没式系统 - Google Patents

Abstract

一种浸没式系统，包括：主体，所述主体由多个壁形成，所述多个壁中的至少一个由双稳态或者多稳态板壳构建；其中，所述主体的形状由所述双稳态或者多稳态板壳选用不同稳定形态进行改变，从而调整主体的体积和在液体中的浮力，实现主体在液体中的沉降和上升运动。

Description

浸没式系统

技术领域

本发明涉及一种浸没式系统。具体地但非排他性地，本发明涉及双稳态或者多稳态板壳构建结构，通过双稳态或者多稳态板壳的形态变化调整结构自身的体积，从而在液体中获取不同的浮力，实现结构在液体中的上升和沉降动作。

背景技术

目前，水下航行器在水中上升和沉降动作的实现一般通过垂直方向上的驱动器提供上升力或者在结构内部通过给排水对结构自重进行调整。由驱动器提供上升力实现沉降动作的水下航行器在垂直方向运动时一般耗能较大，不适用于长时间工作的要求，而通过给排水实现结构上升和沉降动作是大型水下航行器的主流技术方案，如潜艇、自主式无人航行器等，但这种通过给排水调整结构自重实现沉降动作的技术对结构密封性能要求较高，且需要较为复杂的液压或者增压系统，占用结构有限的内部空间，不利于中小型水下航行器的开发。

发明内容

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种浸没式系统，包括：主体，所述主体由多个壁形成，所述多个壁中的至少一个由双稳态板壳或者多稳态板壳构建；其中，所述主体的形状由所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳选用不同稳定形态进行改变。

在第一方面的一个实施例中，所述主体在液体中的浮力由所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳选用不同稳定形态改变所述主体的形状和体积，从而改变所述主体在液体中的浮力，使所述主体产生垂直方向的运动。

在第一方面的一个实施例中，当所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从当前稳定形态转变为另外的稳定形态，所述主体的体积增加，在液体中的浮力大于所述主体自重时，所述主体在液体中发生向上的运动。

在第一方面的一个实施例中，当所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从当前稳定形态转变为另外的稳定形态，所述主体的体积减小，在液体中的浮力小于所述主体自重时，所述主体在液体中发生向下的运动。

在第一方面的一个实施例中，所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳是使用表面纳米化技术在板壳上进行局部处理得到；通过使用所述表面纳米化技术，在处理区域引入大量纳米孪晶，并将晶粒细化至纳米级别，以增加板壳的弹性变形能力，同时在板壳内引入了特定残余应力场分布，从而根据处理区域的个数使板壳具有两个或者多个稳定形态。

在第一方面的一个实施例中，使用可延伸构件或者智能材料提供驱动，实现所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的形态转换，所述可延伸构件具有两个相对端，所述端连接到所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的局部双稳态区域。

在第一方面的一个实施例中，所述可延伸构件提供的驱动力大于所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳初始形态下的承载力时，所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的初始形态将转变为另外的稳定形态。

在第一方面的一个实施例中，所述可延伸构件通过可控激励伸缩，以将所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态，从而所述主体形态和体积发生变化，实现所述主体在液体中的浮力的调整，使所述主体产生垂直方向的运动。

在第一方面的一个实施例中，所述主体的两个相对的侧壁由所述一对双稳态板壳形成。

在第一方面的一个实施例中，所述主体的浮力由所述一对双稳态板壳的稳定形态来控制。

在第一方面的一个实施例中，所述一对双稳态板壳从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态，以为所述主体提供垂直运动。

在第一方面的一个实施例中，当所述一对双稳态板壳从第一稳定形态转变为第二稳定形态时，所述主体原本凹曲的两个侧面凸起，主体体积增加，在液体中的浮力增加，使主体向上运动。

在第一方面的一个实施例中，当所述一对双稳态板壳从所述第二稳定形态转变为所述第一稳定形态时，所述主体凸起的两个侧面转变为凹曲形态，主体体积减小，在液体中的浮力减小，使主体向下运动。

在第一方面的一个实施例中，还包括可延伸构件，所述可延伸构件具有两个相对端，所述端分别连接到所述对侧的双稳态板壳中的每一个。

在第一方面的一个实施例中，所述双稳态板壳是通过使用表面纳米化技术对平板的一个局部区域进行处理，以在板壳内引入显著特定残余应力场分布，在处理区域形成双稳态特性，使板壳可以维持两个稳定形态；当使用表面纳米化技术对平板的多个局部区域进行处理时，可以在多个区域内实现局部双稳态特性，而使处理后的板壳可以具有多个稳定形态。

在第一方面的一个实施例中，所述双稳态板壳的形态转换由所述相连接的可延伸构件通过电动伸缩完成。

在第一方面的一个实施例中，所述可延伸构件在可控激励下发生伸缩，以将所述双稳态板壳从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态，从而改变主体的体积和在液体中的浮力，为所述主体提供垂直方向的力。

在第一方面的一个实施例中，所述可延伸构件与远程控制器无线通信，所述可延伸构件的伸缩通过所述远程控制器触发。

在第一方面的一个实施例中，所述主体在保证所用双稳态或者多稳态板壳的双稳态或者多稳态特性的条件下，可以通过机械构件增强主体的承压能力，以适应更深的液体环境。

在第一方面的一个实施例中，所述主体的所有侧壁由所述双稳态板壳构成。

在第一方面的一个实施例中，所述主体被密封以防止浸没流体渗入。

在第一方面的一个实施例中，所述主体可被设置成正方体、长方体、柱体、球体、椭圆体或胶囊状。

在第一方面的一个实施例中，还可设置驱动构件，所述驱动构件为所述主体提供水平运动。

在第一方面的一个实施例中，所述双稳态或者多稳态板壳由钢、铝合金或镁合金制成。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利技术进一步说明。

图1由表面纳米化技术制备的双稳态板壳的第一个稳定形态；

图2由表面纳米化技术制备的双稳态板壳的第二个稳定形态；

图3由双稳态板壳作为侧壁构建的未封顶的正方形盒子，盒子四个侧面为双稳态板壳，底面为平板；

图4盒子内部简易机械驱动装置，电机带动的伸缩杆连接在无线模块上，由可充电锂电池供电；以及

图5带有可拆卸窗口密封的盒子，圆孔开口由带螺纹的盖子和橡胶圈密封。

具体实施方式

本发明公开了一项由形态变化实现结构在水中上升和沉降的技术。本发明使用双稳态或者多稳态板壳构建水下结构的局部或者全面表面，通过双稳态或者多稳态板壳的形态改变，实现结构体积的改变获取结构在液体中的浮力的调整，从而实现结构在水中上升和沉降动作，其中所使用的双稳态或者多稳态板壳对水具有足够的抵抗力，一般为具有防腐蚀能力的金属板壳，其形态转换可以通过机械结构或者智能材料实现。通过本发明提供的技术实现的具有在水中上升和沉降功能的结构可搭载其他功能模块，通过结构在水中上升与沉降运动实现其他水下功能。

在不受理论研究的束缚，发明人通过实验和试验，在他们的研究中发现通过结构形态变化对结构体积进行改变，获取对结构在水中的浮力的调整，实现结构在水中上升或沉降动作。

参照图1至图5，本发明公开了一种浸没式系统100，包括：主体10，所述主体10由多个壁20形成，所述多个壁20中的至少一个由双稳态板壳或者多稳态板壳30构建；其中，所述主体10的形状由所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳30选用不同稳定形态进行改变。

在用于组合浸没式系统100前，双稳态或者多稳态板壳30先通过进行表面纳米化局部处理形成双稳态特性，在自由状态或者有边界约束条件下可以具有两个稳定形态。当双稳态或者多稳态板壳30受到外力作用且该外力超过双稳态或者多稳态板壳30的承载力时，双稳态或者多稳态板壳30从原来的一个稳定形态转变为另一个稳定形态。

本发明专利采用的技术方案是：在结构的局部或者全部表面32，使用可以承载较大外部荷载的双稳态或者多稳态板壳30，其是使用表面纳米化技术，即表面机械研磨技术(Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT)，在板壳的一个或者多个局部区域34进行处理实现的。通过双稳态或者多稳态板壳30依靠自身力学特性维持的两个或者多个稳定形态之间的转换，获取对结构的体积及在水中浮力的改变，从而实现结构在水中上升和沉降的动作。优选地，所使用的双稳态或者多稳态板壳30的材料是对水具有足够的抵抗力的材质，为具有良好防腐蚀能力的金属材质，包括各种类型的钢材，铝合金，镁合金等。

局部区域34进行表面纳米化处理后实现的双稳态板壳或者多稳态板壳30，受益于处理过程中在板壳30内部引入的大量纳米结构和显著的特定残余应力场分布，可以在不需要外部持续能量输入或外部支撑的条件下维持两个或者多个稳定形态(由局部处理区域个数决定)。因此，由双稳态或者多稳态板壳30构建的水下结构100只需要利用能量完成双稳态或者多稳态板壳30的形态改变就可以实现结构在水中上升和沉降功能。其中，双稳态或者多稳态板壳30的形态改变可以通过机械装置或者智能材料驱动完成。

优选地，在浸没式系统100中，通过选择驱动局部双稳态区域34的个数，可以调整由浸没式系统100形态改变引起的体积改变量，以实现对浸没式系统100在水中浮力的调控，使浸没式系统100在水中获取不同的上升和下降加速度。

本发明的有益效果是，可以通过结构的形态改变实现对浮力的调整，从而获取结构在水中上升和沉降动作，减少密封及液压或增压装置，简化水下结构设计，以及增加水下结构的能量使用效率。

在本发明的一个实施例中的浸没式系统100中，主体10由多个壁20以及底面25和顶面26组成，例如壁20包括四个侧壁21、22、23、24。优选地，主体10的两个相对的侧壁21、22由一对双稳态板壳30形成，另一组相对的侧壁23、24由另一对双稳态板壳30形成。可选地，底面25和顶面26可分别由平板或一般其他形态的板壳形成。每对相对的侧壁21、22和23、24可以通过改变其双稳态板壳30的稳定形态，从而改变主体10的形状及体积，由此改变主体10在液体中的浮力。

基于流体动力学的原理，当主体10的浮力通过双稳态板壳30的形态转换进行改变时，即通过一对双稳态板壳30从一个稳定形态转变为另一个稳定形态，浮力的改变实现主体10的垂直运动。示例性地，当一对双稳态板壳30从凹曲形态转变为凸起形态时，主体10体积增加，在液体中的浮力增加，大于主体10自重，使主体10在液体中向上运动。另一方面，当一对双稳态板壳30从凸起形态转变为凹曲形态时，主体10体积缩小，在液体中的浮力减小，而小于主体10自重，使主体10在液体中向下运动。

在本发明的一个实施例中的浸没式系统100中，如图3至图5所示，主体10由四个侧壁21、22、23、24、底面25和顶面26组成。主体10的两组相对的侧壁21、22和23、24各由一对双稳态板壳30形成。优选地，主体10进一步包括可延伸构件40，该可延伸构件40具有两个可伸缩的相对端42和44，每一端42和44分别联接到相对的侧壁23、24。

示例性地，可延伸构件40的第一端42和第二端44可分别通过连接件连接到侧壁23和24，从而在可延伸构件40伸缩时对相对的侧壁23、24施加一个大致水平的力。可选地，同一可延伸构件40或另一可延伸构件40也可连接到相对的侧壁21、22。

在一般状态下，侧壁23、24由经处理后的双稳态板壳30在残余应力场的作用下维持一个稳定形态，当可延伸构件40通过沿横向方向伸缩提供的力足够大时，相对的侧壁23、24中的双稳态板壳30从一个稳定形态转变为另一个稳定形态，从而为主体10提供垂直方向的力。

示例性地，当可延伸构件40沿横向方向伸展推压侧壁23、24且该力大于侧壁23、24初始形态下的承载力时，主体10体积增加，在液体中的浮力大于自重，主体在液体中发生向上的运动。另一方面，当可延伸构件40沿横向方向收缩，通过连接件向主体10中心拉扯侧壁23、24且该力大于侧壁23、24凸起时的承载力时，主体10体积减小，在液体中的浮力小于自重，主体在液体中发生向下的运动。

优选地，可延伸构件40可经由无线遥控模块50与远程控制器(未示出)无线通信，如红外线通信、Wi-Fi等，使可延伸构件40的伸缩可通过远程控制器触发，由此，用户可以对浸没式系统100的位置及升降进行实时远程控制。

在本发明的一个实施案例中，涉及一种由双稳态板壳30构建的形态可变的盒子10。通过使用机械电动伸缩杆40，使用无线遥控模块50和电池60，远程遥控实现两块双稳态板壳30的形态转换，从而可以调整密封盒子10的体积，改变盒子10在水中的浮力，实现盒子10在水中上升和沉降动作。

示例性地，在边长为150mm厚度为0.56mm(即板壳尺寸为150×150×0.56mm³)的304不锈钢正方形板的中心，使用表面纳米化技术(SMAT)局部处理半径为35mm的局部圆形区域34。SMAT处理选择直径为3mm的304不锈钢钢球30g，激振器振动频率为20kHz，功率为4KW，能量幅值为80％，激振器表面至轰击面距离为35mm，每次处理时间为10s，板壳30两面轮流处理，两面处理时间共计为300s。

经处理的304不锈钢板由于在处理过程中引入的纳米孪晶和细化至纳米尺寸的晶粒，处理区域34材料的屈服强度大幅度提高，板壳30可以产生较大的弹性变形；同时，处理过程中板壳30内引入了的显着的特定残余应力场分布，经处理的板壳30可以维持两个不同的稳定形态，如图1和图2所示。

使用上述四块双稳态板壳30作为盒子10的四侧，如图3所示，另选没经过处理的同样尺寸的平板25和26作为盒子10的上下面，通过激光焊接形成密封的盒子10。在密封盒子10之前，在未封顶的盒子10内设置由电机46驱动的伸缩杆40，伸缩杆40的两端42和44使用如3M公司出品的粘性足够强的VHB^TM胶带与两侧双稳态板壳30紧密连接，伸缩杆40的长度和伸缩行程以满足两侧双稳态板壳30形态转换进行选择。在本实施案例中，伸缩杆40最短时为140mm，最长时为160mm，行程为20mm。

为了方便控制双稳态板壳30的形态转换，伸缩杆40的电机46连接无线遥控模块50上，然后与示例性为两个电压为9V串联的可充电锂电池60连接，形成回路，如图4所示，从而可以通过使用无线遥控(未示出)经由无线遥控模块50控制伸缩杆40的伸缩，实现所连接的双稳态板壳30的形态转换，调整密封盒子10的体积，在液体中获取不同浮力，实现密封盒子10在水中的上升和沉降动作。

由于盒子10和内置的驱动系统重量有限，在盒子10内部和外部均可设置负荷或其他功能性模块(未示出)，如水下无线摄像机、水下无线摄像头、采样盒等，从而搭载在具有垂直运动功能的密封盒子10上，以在水中实现其他功能。优选地，盒子10被密封以防止浸没流体渗入，因此，非防水用的一般功能性模块也可被放置在盒子10内而不会被流体渗入导致故障或损毁。

为了便于实现锂电池60的充电及电池60的有效利用，在盒子顶面26进行了开孔27设计用于设置开关70，并用带螺纹82的盖子80和橡胶圈84密封，如图5所示。

优选地，由于单个双稳态区域形态改变实现的体积改变量有限，为了实现对密封盒子10上升和沉降速度的控制，可以使用多个双稳态区域或者多稳态板壳30进行形态转换，从而获取不同的浮力改变量，实现不同的上升和沉降加速度。

优选地，浸没式系统100可以进一步在水平面上设有如旋转涡轮驱动构件(未示出)，用于实现水平面的移动。通过结合该驱动构件所产生的水平运动及主体10在横向方向上扩展和收缩所产生的垂直运动，浸没式系统100能在空间的三个维度上实现运动。

优选地，所使用的双稳态或者多稳态板壳30在不影响其双稳态或者多稳态特性的基础上，还可以使用机械构件对主体10进行结构增强，以适应较深的液体环境。

有利地，浸没式系统100为整体密封结构，其结构形态可以但不限于为正方体、长方体、柱体、球体、椭球体、胶囊状等。

有利地，通过双稳态板壳30形态转换提供的浮力及上升与沉降运动，本发明所公开的浸没式系统100在结构上无需考虑进水或排水的问题，且免除了复杂的液压或者增压系统，对结构密封性能要求因而较低。此外，本发明所公开的浸没式系统100只需提供非持续的能量输入或外部支撑便能实现上升和沉降的动作，因此，浸没式系统100无需频繁地被上升至水面更换电池。可见，本发明提供了一种结构简单、耗能低且适用于长时间浸没工作的技术方案，对开发中小型浸没式设备的开发给出了重大贡献。

尽管本发明的浸没式系统100可用于制备水下航行器或可升降结构的工业技术，然而，浸没式系统100同样适用于其他水中的应用或适用于非水的液体环境中的应用。

将由本领域内的技术人员理解，在不脱离上述广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可对如在具体实施例中所示的实施例的本发明进行许多变化和/或修改。因此本发明的实施例也可以在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

本文中所包含的现有技术的任何引用不被认为承认所述信息是公知常识，除非另有说明。

Claims (14)

1.一种浸没式系统，其特征在于，包括：

主体，所述主体由多个壁形成，所述多个壁中的至少一个由双稳态板壳或者多稳态板壳构建；

其中，所述主体的形状由所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳选用不同稳定形态进行改变。

2.根据权利要求1所述的浸没式系统，其中，所述主体在液体中的浮力由所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳选用不同稳定形态改变所述主体的形状和体积，从而改变所述主体在液体中的浮力，使所述主体产生垂直方向的运动。

3.根据权利要求2所述的浸没式系统，其中，当所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从当前稳定形态转变为另外的稳定形态，所述主体的体积增加，在液体中的浮力大于所述主体自重时，所述主体在液体中发生向上的运动。

4.根据权利要求2所述的浸没式系统，其中，当所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从当前稳定形态转变为另外的稳定形态，所述主体的体积减小，在液体中的浮力小于所述主体自重时，所述主体在液体中发生向下的运动。

5.根据权利要求1所述的浸没式系统，其中，所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳是使用表面纳米化技术在板壳上进行局部处理得到；通过使用所述表面纳米化技术，在处理区域引入大量纳米孪晶，并将晶粒细化至纳米级别，以增加板壳的弹性变形能力，同时在板壳内引入了特定残余应力场分布，从而根据处理区域的个数使板壳具有两个或者多个稳定形态。

6.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，使用可延伸构件或者智能材料提供驱动，实现所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的形态转换，所述可延伸构件具有两个相对端，所述端连接到所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的局部双稳态区域。

7.根据权利要求6所述的浸没式系统，其中，所述可延伸构件提供的驱动力大于所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳初始形态下的承载力时，所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳的初始形态将转变为另外的稳定形态。

8.根据权利要求6或7所述的浸没式系统，其中，所述可延伸构件通过可控激励伸缩，以将所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态，从而所述主体形态和体积发生变化，实现所述主体在液体中的浮力的调整，使所述主体产生垂直方向的运动。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的浸没式系统，其中，所述可延伸构件与远程控制器无线通信，所述可延伸构件的伸缩通过所述远程控制器触发。

10.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，其中，所述主体在保证双稳态或者多稳态特性的前提下，通过使用机械构件增强，以增加所述主体的承压能力，适应更深的液体环境。

11.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，其中，所述主体被密封以防止浸没流体渗入。

12.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，其中，所述主体被设置成正方体、长方体、柱体、球体、椭圆体或胶囊状。

13.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，还包括驱动构件，所述驱动构件为所述主体提供水平运动。

14.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式系统，其中，所述双稳态板壳或者所述多稳态板壳由钢、铝合金或镁合金制成。