CN111532405A - 一种水下滑翔机柔性壳体及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下滑翔机柔性壳体及其成型方法，包括硅橡胶壳体、通油管路网、仿生柔性机翼、仿生柔性尾鳍；硅橡胶壳体包裹于水下滑翔机刚性耐压舱外部；通油管路网布置于硅橡胶壳体中；仿生柔性机翼与仿生柔性尾鳍仿照海洋生物海豹形体分别覆盖于水下滑翔机机翼与后导流罩部位；的水下滑翔机柔性壳体在水下工作环境中，能够随着海水压力及温度的变化自适应地调节其密度大小，适时抵消水下滑翔机在工作过程中由于海水密度的变化而产生的浮力变化，实现自适应浮力补偿功能。

Description

一种水下滑翔机柔性壳体及其成型方法

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，涉及一种具有自适应浮力调节功能的水下滑翔机柔性壳体及其成型方法。

背景技术

水下滑翔机作为新型的水下探测平台，通过控制自身浮力大小，利用机翼产生动力进行锯齿形水下滑翔运动，具有探测深度大、续航时间长、经济性好等特点。传统水下滑翔机机身均由刚性外壳构成，一方面，刚性壳体对于温度与压力的体积变化率与海水不匹配，造成水下滑翔机工作过程中浮力损失严重，使水下滑翔机难以实现中性浮力下潜，导致滑翔机运动轨迹与姿态失稳，甚至难以下潜到预定深度；另一方面，刚性壳体外形可塑性差，使得水下滑翔机的外形优化工作往往成本高，周期长；再者，刚性壳体产生的碰撞使得水下滑翔机安全性无法保障，同时由于刚性传导，无法降低内部元件工作噪音，还存在着受海洋生物侵蚀严重的问题。

硅橡胶是软体水下机器人发展历程中使用最早且运用最广的材料之一。硅橡胶的化学成分和物质构造，令其具有了优于其他同类型材料的特性：化学性质稳定、密封与绝缘性能好、降噪能力高、可塑性强等。硅橡胶邵氏硬度的宽广范围也给予了研究者选择所需硬度的自由空间。常见的硅橡胶的密度略大于海水，使用密度较小的耐压空心玻璃微珠与之混合，既能调低硅橡胶密度，又能改变硅橡胶的体积压缩率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有自适应浮力调节功能的水下滑翔机柔性壳体及其成型方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水下滑翔机柔性壳体，包括硅橡胶壳体、通油管路网、仿生柔性机翼、仿生柔性尾鳍；所述硅橡胶壳体包裹于水下滑翔机刚性耐压舱外部；所述通油管路网布置于硅橡胶壳体中；仿生柔性机翼与仿生柔性尾鳍仿照海洋生物海豹形体分别覆盖于水下滑翔机机翼与后导流罩部位；所述的水下滑翔机柔性壳体在水下工作环境中，能够随着海水压力及温度的变化自适应地调节其密度大小，适时抵消水下滑翔机在工作过程中由于海水密度的变化而产生的浮力变化，实现自适应浮力补偿功能。

进一步的，所述的硅橡胶壳体通过有机硅橡胶与耐压玻璃微珠混合后，在模具中常温固化成型；使用的有机硅橡胶通过调节交联反应时的固化剂含量得到不同硬度的硅橡胶固体；通过精确计算有机硅橡胶内混合的耐压玻璃微珠体积，使有机硅橡胶壳体达到应用所需密度；水下滑翔机柔性壳体包裹于水下滑翔机刚性耐压舱外部，使水下滑翔机整体具有中性浮力与相应的体积模量。

进一步的，所述的通油管路网，从水下滑翔机内部液压油路系统引出充油管路，均匀分布于硅橡胶壳体内。

进一步的，所述仿生柔性尾鳍与水平面的角度为30°。

本发明提供的另一种技术方案如下：

一种水下滑翔机柔性壳体成型方法，包括以下步骤：

(1)水下滑翔机柔性壳体成型采用注模成型法，综合水下滑翔机使用要求与海洋生物海豹形体比例设计模具的内腔；

(2)将通油管路网固定布置于水下滑翔机耐压舱表面后，与水下滑翔机本体一同竖向居中放置于模具内腔；

(3)向模具中浇注硅橡胶混合材料，将硅橡胶壳体在模具中分段固化成型；

(4)模具采用分段式结构，水下滑翔机硅橡胶壳体、仿生柔性机翼翼型、仿生柔性尾鳍形状能够根据模具内腔的改变进行更换优化，同时水下滑翔机柔性壳体的每段之间能够进行拆装替换。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明所设计的水下滑翔机柔性壳体，通过调节其成型过程中所用硅橡胶固化剂含量以及混合的耐压空心玻璃微珠体积，可以根据需求调节柔性壳体的密度、硬度和体积模量，包裹于水下滑翔机表面，使水下滑翔机整体达到中性浮力以及与海水接近的体积压缩率。随着海水压力及温度的变化，柔性壳体可进行被动的、自适应的体积变化，实现浮力补偿功能。

2.本发明所设计的水下滑翔机柔性壳体，内部布置有通油管路网，通过向其充油进一步控制整机排水量，可提升水下滑翔机搭载量。同时降低了对水下滑翔机浮力调整单元调节油量的需求，减少了水下滑翔机运动过程中浮力调节带来的能源消耗，提高水下滑翔机的续航时间与巡航里程，为水下滑翔机深海下潜提供了有利条件。

3.本发明所设计的水下滑翔机柔性壳体，其使用的有机硅橡胶材料，由于其化学组份和物理结构，具有导热系数低、化学性质稳定、机械强度高的特点。其良好的弹性性能能够缓冲水下滑翔机收到的撞击及破坏，具有的减震功能降低了水下滑翔机航行噪音，提高了水下滑翔机的安全性。

4.本发明采用的水下滑翔机柔性壳体成型方法，可使柔性壳体低成本地模仿不同海洋生物的外形，使整机具有良好的水下动力学特征，降低了水下滑翔机的航行阻力。

5.本发明采用的水下滑翔机柔性壳体成型方法，可使柔性壳体模块化成型，能够对壳体外形进行分段塑形，易于实现对水下滑翔机机身流线型、机翼翼型、尾鳍翼型等的更换，可塑性强，降低了水下滑翔机外形优化的成本，经济性好。

附图说明

图1为本发明水下滑翔机柔性壳体的外观结构示意图。

图2为本发明的通油管路网透视示意图图。

图3为本发明水下滑翔机柔性壳体的主视结构示意图。

图4为本发明的俯视剖视结构示意图。

图5为本发明的仿生尾鳍结构示意图。

图6为本发明柔性壳体成型方法中涉及到的模具整体外观示意图。

图7为本发明柔性壳体成型方法中涉及到的模具主视剖视结构示意图。

图8为本发明柔性壳体成型方法中涉及到的模具俯视剖视结构示意图。

附图标记：1-仿生柔性机翼；2-硅橡胶壳体；3-螺旋桨导向孔；4-仿生柔性尾鳍；5-抛载高度计安放空间；6-通油管路网；7-通油管路网连接口；8-浇注口；9-密封凹槽；10-抛载与高度计密封盖板；11-成型支撑孔；12-前导流罩密封支撑柱；13-仿生柔性机翼模具；14-机翼密封盖板；15-螺旋桨密封盖；16-仿生尾鳍模具。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～6所示，本发明的水下滑翔机柔性壳体主要包括仿生柔性机翼1、硅橡胶壳体2、仿生柔性尾鳍4、通油管路网6等。发明通过双组份常温固化硅橡胶与耐压玻璃微珠按照设计比例混合后在模具整体中浇注成型，包裹于水下滑翔机耐压舱外部，使水下滑翔机整体具有与海水相近的体积变化率。硅橡胶壳体由于其材料特性，具有抗腐蚀和抗生物污损的能力，能够缓冲设备受到的撞击并降低水下滑翔机航行噪音，且根据需求可以方便地对材料进行改性。

随着水下滑翔机水下工作环境中温度与压力的变化，水下滑翔机柔性壳体能够自适应的进行浮力补偿，使水下滑翔机保持中性浮力运行。如图1外观示意图所示，硅橡胶壳体2的流线型外形为海洋生物海豹的等比例形体尺寸。由于其材料特性，硅橡胶壳体具有抗腐蚀和抗生物污损的能力，同时能够缓冲设备受到的撞击并降低水下滑翔机航行噪音，且根据需求可以方便地对材料进行改性。本实施例的水下滑翔机柔性壳体在水下工作环境中，能够随着海水压力及温度的变化自适应地调节其密度大小，适当地抵消水下滑翔机在工作过程中由于海水密度的变化而产生的浮力变化，具有自适应浮力补偿的功能。

如图2通油管路网透视图所示，通油管路网6从水下滑翔机内部液压油路系统引出充油管路，均匀分布于硅橡胶壳体内。根据水下滑翔机所处环境，在一定压力与温度环境下，调节通油管路网内油量，辅助调整水下滑翔机整体的浮力大小，使其在不同深度、温度的水下环境中均保持在中性浮力状态。在硅橡胶壳体2中设有硅橡胶通油管路网6。在硅橡胶壳体2成型之前，制作适合外壳体形体的通油管路网6，利用硅橡胶通油管路网连接口7通过水下滑翔机的后端盖与内部液压油路系统相连接，固定于水下滑翔机整机压力舱表面后，再将整体进行固化成型，利用向通油管路网6中充入液压油，来辅助控制整机的排水量，与硅橡胶壳体2共同实现浮力补偿功能，从而实现水下滑翔机的中性浮力下潜。

如图3～4所示，仿生柔性机翼1与仿生柔性尾鳍4则仿照海洋生物海豹的前鳍与尾鳍位置比例，分别成型于水下滑翔机机翼与尾部，且具有与海洋生物海豹前鳍与尾鳍相近的水动力学形状参数。仿生柔性机翼1以一定流体动力学翼型以及展弦比、后掠角等机翼参数，包裹与水下滑翔机机翼上。如图5仿生尾鳍示意图，在设计仿生柔性尾鳍角度前，设置了0°、30°、45°、60°、90°五组尾鳍基本角度的仿真实验，经分析计算选取了最优解30°进行实施。成型后的仿生柔性尾鳍在水下滑翔机尾部能够提供一定的升力。

如图6～8所示，本发明的水下滑翔机柔性壳体成型方法实施例中涉及到的模具采用分段结构。模具内腔设计为海洋生物海豹等比例的形体结构，不同段模具之间根据内部成型需求分为1至4瓣，段与段之间、瓣与瓣之间均通过肋板结构上的螺栓夹紧密封凹槽9中的密封圈达到密封的效果。

具体的，硅橡胶壳体所需成型后的混合材料密度以及所能提供的浮力补偿量计算如下：

由整机的重浮力平衡方程：

ρ_外壳体×V_外壳体+M＝(V_外壳体+V_本体)×ρ_水

可得硅橡胶壳体密度：

其中，ρ_外壳体为硅橡胶壳体所需成型后的混合材料密度，V_外壳体为硅橡胶壳体的体积，M为水下滑翔机本体的质量，V_本体为水下滑翔机本体的排水体积，ρ_水为海水的密度。

由硅橡胶与耐压空心玻璃微珠混合密度方程：

式中，ρ_硅为使用的硅橡胶的密度，V_硅为所用硅橡胶体积，ρ₀为所使用耐压空心玻璃微珠的密度，V₀为所使用耐压空心玻璃微珠的体积。

因此，在制作硅橡胶混合材料时，硅橡胶与耐压空心玻璃微珠比例依据上述公式混合。

通过实验测得硅橡胶壳体的体积模量K_材料,则硅橡胶壳体所能提供的浮力体积补偿量V_补：

其中，p_工作为水下滑翔机的工作压力。

水下滑翔机在水下工作时硅橡胶壳体的浮力补偿量与实际浮力变化量接近，差值较小，可通过通油管路网辅助微调。

水下滑翔机柔性壳体的成型过程具体如下：

第一步，将水下滑翔机除前导流罩通水孔外其余表面外露孔均用密封胶带包裹密封，防止成型过程中成型材料流入水下滑翔机内导致无法正常工作。

第二步，先将模具下半部分主体结构组装完成，之后将布置好通油管路网6的水下滑翔机竖直吊起，与模具对位，沿着模具底部成型支撑孔11插入后导流罩的两支撑架，无线天线与铱星天线分别放置在仿生尾鳍模具16的两个尾部成型腔中。使水下滑翔机竖直放置于模具内，

第三步，在抛载与高度计密封盖板10与水下滑翔机接触面包裹密封胶泥，沿着模具对应孔插入模具中，将其与水下滑翔机后导流罩内抛载与高度计孔边缘压紧，防止成型材料流入。两端螺旋桨密封盖15在模具对应位置采取相同操作，防止成型材料流入水下滑翔机的航向调节螺旋桨中。

第四步，将上半部分模具组装完成，将水下滑翔机机翼布置于仿生柔性机翼模具13腔体中。模具内腔喷涂脱模剂。将模具中前导流罩密封支撑柱12与前导流罩接触部位包裹胶泥，插入水下滑翔机前导流罩通水孔中，防止成型材料流入水下滑翔机前导流罩内，同时起到轴向定位与支撑的作用。

第五步，将按比例混合好的双组份常温固化硅橡胶与耐压玻璃微珠成型材料抽真空排气，通过浇注口分段浇注在模具中。

第六步，待柔性硅橡胶壳体2成型好后，拆去机翼密封盖板14、抛载与高度计密封盖板10、螺旋桨密封盖15，之后按照从上到下的顺序拆除剩余模具，取出包裹好柔性壳体的水下滑翔机。

水下滑翔机柔性壳体的成型过程，能够将硅橡胶壳体2直接成型于水下滑翔机外。设计的模具在抛载与高度计位置、航向调节螺旋桨位置、无线天线与铱星天线处兼顾了水下滑翔机本身的工作需求。同时，由于硅橡胶材料优良的粘合性性质，在水下滑翔机柔性壳体头部、机翼部分、身体部分、尾部分段成型后，可对柔性壳体分段进行拆除更换，分段处使用同样的硅橡胶混合物粘合，能够达到与一体成型非常接近的成型效果。这样的成型方法周期短、成本低，提高了水下滑翔机的外形优化的经济性。成型后包裹柔性壳体的水下滑翔机整体能实现自适应浮力补偿的功能，同时起到了仿生柔性、降低噪声、以及提高安全性与机动性等作用。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下滑翔机柔性壳体，其特征在于，包括硅橡胶壳体、通油管路网、仿生柔性机翼、仿生柔性尾鳍；所述硅橡胶壳体包裹于水下滑翔机刚性耐压舱外部；所述通油管路网布置于硅橡胶壳体中；仿生柔性机翼与仿生柔性尾鳍仿照海洋生物海豹形体分别覆盖于水下滑翔机机翼与后导流罩部位；所述的水下滑翔机柔性壳体在水下工作环境中，能够随着海水压力及温度的变化自适应地调节其密度大小，适时抵消水下滑翔机在工作过程中由于海水密度的变化而产生的浮力变化，实现自适应浮力补偿功能。

2.根据权利要求1所述的水下滑翔机柔性壳体，其特征在于，所述的硅橡胶壳体通过有机硅橡胶与耐压玻璃微珠混合后，在模具中常温固化成型；使用的有机硅橡胶通过调节交联反应时的固化剂含量得到不同硬度的硅橡胶固体；通过精确计算有机硅橡胶内混合的耐压玻璃微珠体积，使有机硅橡胶壳体达到应用所需密度；水下滑翔机柔性壳体包裹于水下滑翔机刚性耐压舱外部，使水下滑翔机整体具有中性浮力与相应的体积模量。

3.根据权利要求1所述的水下滑翔机柔性壳体，其特征在于，所述的通油管路网，从水下滑翔机内部液压油路系统引出充油管路，均匀分布于硅橡胶壳体内。

4.根据权利要求1所述的水下滑翔机柔性壳体，其特征在于，所述仿生柔性尾鳍与水平面的角度为30°。

5.一种水下滑翔机柔性壳体成型方法，基于权利要求1所述的水下滑翔机柔性壳体，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水下滑翔机柔性壳体成型采用注模成型法，综合水下滑翔机使用要求与海洋生物海豹形体比例设计模具的内腔；

(2)将通油管路网固定布置于水下滑翔机耐压舱表面后，与水下滑翔机本体一同竖向居中放置于模具内腔；

(3)向模具中浇注硅橡胶混合材料，将硅橡胶壳体在模具中分段固化成型；

(4)模具采用分段式结构，水下滑翔机硅橡胶壳体、仿生柔性机翼翼型、仿生柔性尾鳍形状能够根据模具内腔的改变进行更换优化，同时水下滑翔机柔性壳体的每段之间能够进行拆装替换。

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