CN114801358A - 一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，前段和后段的底层均为陶瓷发热片，前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属平板，所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料。本发明能够通过调节底层陶瓷加热片来控制产热量，使得温控相变材料发生相应程度的形变，从而模拟海豚皮肤的折皱和河豚皮肤的体刺随外界水流速度变化而变化的过程，并且多余的热量可以减少蒙皮表面水流的粘度，最终使得蒙皮具有自适应减阻的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下航行器蒙皮，特别涉及一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮。
背景技术
现如今自主式水下航行器（AUV）在民用、军用和商用等领域有着广泛应用，在AUV向着智能化、自主化和模块化发展的过程中，AUV的灵敏性成为限制其发展的主要因素。因此如何减少AUV所受的流动阻力，提高其速度，成为了未来AUV研究的重要问题。而现如今，研究较为成熟的减阻技术均为被动减阻技术：非光滑微结构减阻、柔性表面减阻和超疏水表面减阻等，其缺点较为明显即减阻率在不同来流速度和压力下的曲线是固定的，存在特定来流速度下减阻率低甚至是不减阻的情况。
近几年，随着人们对各种水下生物游动过程研究的不断深入，发现生活在水下的生物具有高效能源利用和低阻力活动的特点，其中最受欢迎的就是海豚和河豚的减阻机理。海豚皮肤存在很多的折皱，并且受湍流压力变化和皮肤肌肉主动控制的影响上下收缩或肿胀，同时海豚背部的黑色皮肤易受到阳光直射使其与边界层之间存在约9℃的温差，动力粘度降低。因此海豚皮肤延迟了表面流体从层流到湍流的过渡，并且将湍流转换为更稳定的层流，减少流体的动力粘度，最终实现减少水的摩擦阻力。河豚皮肤的体刺可以识别流体流速和周围的压力，通过姿势的改变动态调节体刺的倾斜角度和高度。其使得河豚并不会因为体积庞大而降低灵活性，相反姿态和体刺的改变影响了周围的流场，增加了灵活性并降低了阻力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，能够通过调节底层陶瓷加热片来控制产热量，使得温控相变材料发生相应程度的形变，从而模拟海豚皮肤的折皱和河豚皮肤的体刺随外界水流速度变化而变化的过程，并且多余的热量可以减少蒙皮表面水流的粘度，最终使得蒙皮具有自适应减阻的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，前段和后段的底层均为陶瓷发热片，前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属平板，所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料。
本发明基于海豚和河豚皮肤的主动控制减阻机理，将非光滑减阻结构、柔性表面、智能材料、边界层加热和主动控制原理等多因素有机融合，使仿生水下AUV智能蒙皮突破从“形似”仿生到“神似”仿生，实现柔性表面非光滑减阻结构随外界压力和流速的变化自适应动态调节，设计出一种新的具有自适应减阻的仿生水下AUV智能蒙皮。
作为优选，所述柔性有机高分子薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，柔性有机高分子薄膜厚度为0.3mm-0.5mm。
作为优选，所述温控相变材料为固态的乙醇相变材料。乙醇相变材料高于制做温度10℃-20℃即可发生变形，变形高度为0mm-0.5mm。
作为优选，所述固态的乙醇相变材料的制备方法为：将Ecoflex00-50硅胶的组分A和无水乙醇混合均匀，接着倒入Ecoflex00-50硅胶的组分B，静置18-24小时；Ecoflex00-50硅胶的组分A、Ecoflex00-50硅胶的组分B和无水乙醇的质量百分比配比为：Ecoflex00-50硅胶的组分A 35-40%，Ecoflex00-50硅胶的组分B 35-40%，无水乙醇20-30%。本发明的乙醇相变材料轻便且具有一定粘附性。
作为优选，陶瓷发热片厚度为2mm-5mm。进一步地，陶瓷发热片的表面干烧温度为90±5℃。表面干烧温度指把陶瓷发热片放在空气中通上电压后的陶瓷发热片表面的最高温度。陶瓷发热片可选电压5V功率5W的。
作为优选，所述前段的中间层厚度为1.5mm-3mm。
作为优选，所述后段的中间层厚度为1.5mm-3mm。
作为优选，所述金属平板的金属为铝合金。
作为优选，所述菱形孔的短对角线长度为2mm-4mm，菱形孔的长对角线长度为4mm-10mm。菱形孔的四个角倒圆角，菱形孔的四个角有圆角，制作时候的容易把乙醇相变材料注入，且不会存气泡；如果是尖角的话会在棱角的地方存有气泡，从而影响乙醇相变材料的性能。
作为优选，所述菱形孔以重复的菱形单元进行排布，每个菱形单元的菱形短对角线长为10mm-12mm，长对角线长为14mm-18mm。
顶层和中间层通过聚二甲基硅氧烷薄膜加热后黏附固定，中间层和底层通过温控相变材料黏附固定。
本发明的有益效果是：
1. 本发明中顶层聚二甲基硅氧烷薄膜为柔性材料具有一定的减阻自适应功能，能够稳定蒙皮表面的水流，从而推迟层流向湍流的转捩，从而降低阻力。
2. 本发明中间层的温控相变材料在底层陶瓷发热片的加热后膨胀发生形变，将顶层的聚二甲基硅氧烷薄膜顶起，提升前段的高度和在后段形成菱形凸包结构，前段通过抬升来流使得后段的凸包结构所受的流体冲击减弱，从而降低了压差阻力，后段通过凸包结构形成的与主流方向相反的对流涡流，使得滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低了摩擦阻力，并且这种菱形的凸包相比现有的圆形、椭圆形、圆锥形凸包的减阻效率更高。
3. 本发明中的底部为底层陶瓷发热片，其热量部分供给温控相变材料，其余的热量通过中间层传递到顶层，使得顶层表面流体温度升高粘度降低，从而降低了阻力。
4. 本发明的蒙皮结构简单，在制做时可以通过中间层的温控相变材料黏附在一起制造方便，并且总厚度为3.8mm-8.5mm质量轻。
5. 本发明中的温控相变材料顶起的凸包高度由陶瓷发热片发热量控制，可根据来流速度（0.5m/s～20m/s）调整陶瓷发热片电压控制发热量，前段的陶瓷发热片和后段的陶瓷发热片单独分开控制，最终实现调节前段抬起高度和菱形凸包高度，使的蒙皮的减阻效率时刻保持在最优，并且蒙皮的各尺寸参数可根据实际使用环境具体调整，使得具有更好的减阻率和环境适应性。
附图说明
图1是本发明的局部结构示意图。
图2为本发明的局部分解结构示意图。
图3为本发明在静止流体下的局部结构示意图。
图4为本发明在低速流体下的局部结构示意图。
图5为本发明在高速流体下的局部结构示意图。
图6为本发明在变化流速流体下形变原理示意图。
图7为本发明后段中间层延伸方向示意图。
图8为后段的中间层采用不同形状和凸起高度的孔的减阻率变化图，其中圆形（0.3mm）表示中间层金属板开圆形孔时，并且形成的圆形凸包高0.3mm时的减阻率，菱形（0.15mm,0.3mm,0.45mm），表示中间层金属板开菱形孔时，并且形成的菱形凸包高0.15mm,0.3 mm,0.45 mm时减阻率。圆形孔是4mm直径，菱形孔是长对角线11mm短对角线4mm；菱形单元的长对角线15mm，短对角线12mm。
附图标号说明：1.前段的中间层，2. 菱形孔，3. 后段的中间层，4. 顶层，5. 前段的底层，6.后段的底层，7. 菱形单元。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮（图1、图2），包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，所述柔性有机高分子薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，柔性有机高分子薄膜厚度为0.3mm。前段和后段的底层均为陶瓷发热片，陶瓷发热片电压5V功率5W，陶瓷发热片的表面干烧温度为90±5℃，陶瓷发热片厚度为2mm。前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属（铝合金）平板，前段的中间层厚度为1.5mm，后段的中间层厚度为1.5mm。所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料，所述菱形孔的短对角线长度为2mm，菱形孔的长对角线长度为4mm；菱形孔菱形的4个角上倒圆角。所述菱形孔以重复的菱形单元进行排布，每个菱形单元的菱形短对角线长为10mm，长对角线长为14mm。
所述温控相变材料为固态的乙醇相变材料，所述固态的乙醇相变材料的制备方法为：将Ecoflex00-50硅胶的组分A（市售）和无水乙醇混合均匀，接着倒入Ecoflex00-50硅胶的组分B（市售），静置18小时；Ecoflex00-50硅胶的组分A、Ecoflex00-50硅胶的组分B和无水乙醇的质量百分比配比为：Ecoflex00-50硅胶的组分A 35%，Ecoflex00-50硅胶的组分B35%，无水乙醇30%。
实施例2：
一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮（图1、图2），包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，所述柔性有机高分子薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，柔性有机高分子薄膜厚度为0.5mm。前段和后段的底层均为陶瓷发热片，陶瓷发热片电压5V功率5W，陶瓷发热片的表面干烧温度为90±5℃，陶瓷发热片厚度为5mm。前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属（铝合金）平板，前段的中间层厚度为3mm，后段的中间层厚度为3mm。所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料，所述菱形孔的短对角线长度为4mm，菱形孔的长对角线长度为10mm；菱形孔菱形的4个角上倒圆角。所述菱形孔以重复的菱形单元进行排布，每个菱形单元的菱形短对角线长为12mm，长对角线长为18mm。
所述温控相变材料为固态的乙醇相变材料，所述固态的乙醇相变材料的制备方法为：将Ecoflex00-50硅胶的组分A和无水乙醇混合均匀，接着倒入Ecoflex00-50硅胶的组分B，静置24小时；Ecoflex00-50硅胶的组分A、Ecoflex00-50硅胶的组分B和无水乙醇的质量百分比配比为：Ecoflex00-50硅胶的组分A 40%，Ecoflex00-50硅胶的组分B 40%，无水乙醇20%。
实施例3：
一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮（图1、图2），包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，所述柔性有机高分子薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，柔性有机高分子薄膜厚度为0.4mm。前段和后段的底层均为陶瓷发热片，陶瓷发热片电压5V功率5W，陶瓷发热片的表面干烧温度为90±5℃，陶瓷发热片厚度为3mm。前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属（铝合金）平板，前段的中间层厚度为2mm，后段的中间层厚度为2mm。所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料，所述菱形孔的短对角线长度为3mm，菱形孔的长对角线长度为6mm；菱形孔菱形的4个角上倒圆角。所述菱形孔以重复的菱形单元进行排布，每个菱形单元的菱形短对角线长为11mm，长对角线长为16mm。
所述温控相变材料为固态的乙醇相变材料，所述固态的乙醇相变材料的制备方法为：将Ecoflex00-50硅胶的组分A和无水乙醇混合均匀，接着倒入Ecoflex00-50硅胶的组分B，静置18-24小时；Ecoflex00-50硅胶的组分A、Ecoflex00-50硅胶的组分B和无水乙醇的质量百分比配比为：Ecoflex00-50硅胶的组分A 37.5%，Ecoflex00-50硅胶的组分B 37.5%，无水乙醇25%。
结合图3-图6对本发明的减阻特性进行说明：本发明中顶层为柔性材料具有一定的自适应减阻功能，能够稳定蒙皮表面的水流，从而推迟层流向湍流的转捩，从而降低阻力。前段和后段中间层的温控相变材料在底层陶瓷发热片的加热后膨胀发生形变，将顶层的聚二甲基硅氧烷薄膜顶起，提升前段的高度和在后段形成菱形凸包结构，前段通过抬升来流使得后段的凸包结构所受的流体冲击减弱，从而降低了压差阻力。后段通过菱形排布的菱形凸包结构能够抑制湍流中对应尺度的涡，降低壁面附近的内外动量交换，并且菱形凸包结构使得周围流体发生流动分离，形成的与主流方向相反的对流涡流，使得滑动摩擦变为滚动摩擦，从而共同降低了摩擦阻力，并且这种菱形的凸包相比现有的圆形、椭圆形、圆锥形凸包的减阻效率更高（大约高2%-4%）。本发明中的底部为底层陶瓷发热片，其热量部分供给温控相变材料，其余的热量通过中间层传递到顶层，使得顶层表面流体温度升高粘度降低，从而降低了阻力。流体湍流中涡流是由各个尺度的涡叠加而成的，在不同流速下占主要作用的涡的尺度不同，因此根据来流速度（0.5m/s～20m/s）调整陶瓷发热片电压控制发热量，最终实现调节前段抬起高度和菱形凸包高度，使的蒙皮的减阻效率时刻保持在最优。并且蒙皮的各尺寸参数可根据实际使用环境具体调整，使得具有更好的减阻率和环境适应性。
依据本发明工作流程图6，当水下航行器在水中静止待命时，蒙皮如图3所示。当水下航行器以较低速度航行时陶瓷发热片被施加较低的电压，释放较少的热量，温度较低，使前段和后段中间层温控材料发生较小的膨胀，从而使前段和后段柔性有机高分子薄膜被顶起较小的高度（图4）。当水下航行器以较高速度航行时进一步增加陶瓷发热片的电压，释放更多的热量，温度较高，使前段和后段中间层温控材料发生较大的膨胀，从而使前段和后段柔性有机高分子薄膜被顶起较大的高度（图5）。当水下航行器速度降低时减少陶瓷发热片的电压，由于柔性有机高分子薄膜和水流之间的对流换热，整体温度下降，使前段和后段中间层温控材料发生收缩，从而使前段和后段柔性有机高分子薄膜被顶起高度降低。
图8表明相同凸包高度下菱形的比圆形的减阻率高，不同高度不同速度下菱形的三条曲线表示，不同速度下为达到最优减阻率所需的凸包高度不同，表明我们这个自适应减阻蒙皮的发明的必要性。
综上所述，本发明提供一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，用于减小自主式水下航行器（AUV）在工作过程中的流体阻力，提高其灵敏性。本发明能够通过调节底层陶瓷加热片的电压来控制产热量，使得温控相变材料发生相应程度的形变，从而模拟海豚皮肤的折皱和河豚皮肤的体刺随外界水流速度变化而变化的过程，并且多余的热量可以减少蒙皮表面水流的粘度，最终使得蒙皮具有自适应减阻的功能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，包括前段和后段两个部分，前段和后段均由顶层、中间层和底层复合而成，前段和后段的顶层均为柔性有机高分子薄膜，前段和后段的底层均为陶瓷发热片，前段的中间层为温控相变材料，后段的中间层为金属平板，所述金属平板上开有若干菱形孔，所述菱形孔内填充温控相变材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述柔性有机高分子薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，柔性有机高分子薄膜厚度为0.3mm-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述温控相变材料为固态的乙醇相变材料。
4.根据权利要求3所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述固态的乙醇相变材料的制备方法为：将Ecoflex00-50硅胶的组分A和无水乙醇混合均匀，接着倒入Ecoflex00-50硅胶的组分B，静置18-24小时；Ecoflex00-50硅胶的组分A、Ecoflex00-50硅胶的组分B和无水乙醇的质量百分比配比为：Ecoflex00-50硅胶的组分A 35-40%，Ecoflex00-50硅胶的组分B 35-40%，无水乙醇20-30%。
5.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，陶瓷发热片厚度为2mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述前段的中间层厚度为1.5mm-3mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述后段的中间层厚度为1.5mm-3mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述金属平板的金属为铝合金。
9.根据权利要求1所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述菱形孔的短对角线长度为2mm-4mm，菱形孔的长对角线长度为4mm-10mm。
10.根据权利要求1或9所述的一种具有智能自适应减阻的水下航行器仿生动态变构蒙皮，其特征在于，所述菱形孔以重复的菱形单元进行排布，每个菱形单元的菱形短对角线长为10mm-12mm，长对角线长为14mm-18mm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115489658A (zh) * | 2022-10-28 | 2022-12-20 | 北京大学 | 水下航行器的仿生减阻方法、装置、设备及可读存储介质 |
Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5560569A (en) * | 1995-04-06 | 1996-10-01 | Lockheed Corporation | Aircraft thermal protection system |
| CN101277868A (zh) * | 2005-10-04 | 2008-10-01 | 萨伯蒂·布鲁克 | 减阻，推进及提升生成系统 |
| CN102295267A (zh) * | 2011-07-11 | 2011-12-28 | 清华大学 | 柔性mems减阻蒙皮的制造方法 |
| CN102673730A (zh) * | 2012-04-23 | 2012-09-19 | 北京航空航天大学 | 一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法 |
| CN102849205A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-02 | 北京航空航天大学 | 一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法 |
| CN103552652A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-02-05 | 山东理工大学 | 基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法 |
| CN103818517A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-05-28 | 山东理工大学 | 基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮 |
| CN105644770A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-06-08 | 哈尔滨工业大学 | 仿鲨鱼皮的减阻机翼 |
| CN106945782A (zh) * | 2017-04-10 | 2017-07-14 | 江苏科技大学 | 一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法 |
| CN108358154A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-08-03 | 西北工业大学 | 一种具备减阻特性的梭形仿生微结构 |
| CN108393588A (zh) * | 2016-12-21 | 2018-08-14 | 中国航空制造技术研究院 | 一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法 |
| CN108556420A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-21 | 吉林大学 | 一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法 |
| CN109681496A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 吉林大学 | 一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法 |
| CN109968571A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-05 | 吉林大学 | 一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 |
| CN110307289A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-10-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于沙丘形态控制的智能微浮筏流体减阻降噪蒙皮 |
| CN212073131U (zh) * | 2020-03-12 | 2020-12-04 | 吉林大学 | 一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜 |
| CN112644637A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种无人水下航行器运动减阻外壳 |
| CN113525523A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮 |
| CN113879453A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于微Stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮 |
-
2022
- 2022-04-29 CN CN202210475243.5A patent/CN114801358B/zh active Active
Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5560569A (en) * | 1995-04-06 | 1996-10-01 | Lockheed Corporation | Aircraft thermal protection system |
| CN101277868A (zh) * | 2005-10-04 | 2008-10-01 | 萨伯蒂·布鲁克 | 减阻，推进及提升生成系统 |
| CN102295267A (zh) * | 2011-07-11 | 2011-12-28 | 清华大学 | 柔性mems减阻蒙皮的制造方法 |
| CN102673730A (zh) * | 2012-04-23 | 2012-09-19 | 北京航空航天大学 | 一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法 |
| CN102849205A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-02 | 北京航空航天大学 | 一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法 |
| CN103552652A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-02-05 | 山东理工大学 | 基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法 |
| CN103818517A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-05-28 | 山东理工大学 | 基于形状记忆合金人工肌肉的仿生海豚皮 |
| CN105644770A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-06-08 | 哈尔滨工业大学 | 仿鲨鱼皮的减阻机翼 |
| CN108393588A (zh) * | 2016-12-21 | 2018-08-14 | 中国航空制造技术研究院 | 一种利用超快激光技术制备金属超疏水仿生表面方法 |
| CN106945782A (zh) * | 2017-04-10 | 2017-07-14 | 江苏科技大学 | 一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法 |
| CN108358154A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-08-03 | 西北工业大学 | 一种具备减阻特性的梭形仿生微结构 |
| CN108556420A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-21 | 吉林大学 | 一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法 |
| CN109681496A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 吉林大学 | 一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法 |
| CN109968571A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-05 | 吉林大学 | 一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 |
| CN110307289A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-10-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于沙丘形态控制的智能微浮筏流体减阻降噪蒙皮 |
| CN212073131U (zh) * | 2020-03-12 | 2020-12-04 | 吉林大学 | 一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜 |
| CN112644637A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种无人水下航行器运动减阻外壳 |
| CN113525523A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮 |
| CN113879453A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于微Stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115489658A (zh) * | 2022-10-28 | 2022-12-20 | 北京大学 | 水下航行器的仿生减阻方法、装置、设备及可读存储介质 |
| CN115489658B (zh) * | 2022-10-28 | 2023-10-10 | 北京大学 | 水下航行器的仿生减阻方法、装置、设备及可读存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114801358B (zh) | 2023-02-28 |
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