CN115352571A - 一种可多次入水的仿生降载结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可多次入水的仿生降载结构，属于结构物仿生入水降载领域。它包括降载头部、柱体、尾舵和吸能装置，所述降载头部为截锥形结构，所述降载头部与柱体连接，头部与柱体连接处安装有吸能装置，所述尾舵在伸缩机构的控制下能够沿柱体径向伸缩。本发明利用仿生原理，分析北方塘鹅入水过程中的降载方式，设计降低入水冲击载荷的仿生结构构型，保证结构入水稳定性的前提下提高结构入水安全性。本发明的缓冲材料选用棘爪和棘齿控制的弹簧，可最大限度的储存冲击能量，改善弹簧缓冲材料入水过程中的载荷震荡情况。

Description

一种可多次入水的仿生降载结构

技术领域

本发明属于结构物仿生入水降载领域，特别是涉及一种可多次入水的仿生降载结构。

背景技术

具有反复跨介质能力的结构物可在执行任务时通过改变航行介质来躲避敌方侦察探测设备，更隐蔽地接近目标，但结构物入水过程中会受到极大的冲击载荷作用，对结构安全造成威胁。

目前常用的降载结构头部缓冲材料多采用泡沫铝或弹簧，头帽构型多采用球形或尖拱形；泡沫铝吸能效果较好，但在撞水时会出现不规则形变，入水后需要将其与结构主体分离，因此泡沫铝吸能头帽仅能用于结构单次入水；弹簧在受压后发生弹性形变，因此弹簧吸能头帽可用于结构多次入水，但入水过程会出现明显的载荷震荡情况，吸能降载效果并不能达到要求；球形或尖拱形头帽适用于垂直入水或大角度斜入水，而对于具有多次出入水任务要求的结构物而言，小角度斜入水具有更高的可行性。因此需要一种可用于多次小角度入水的，降载效果好的跨介质结构。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可多次入水的仿生降载结构，以解决上述背景技术中提到的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可多次入水的仿生降载结构，包括降载头部、柱体、尾舵和吸能装置，所述降载头部为截锥形结构，所述降载头部与柱体连接，头部与柱体连接处安装有吸能装置，所述尾舵在伸缩机构的控制下能够沿柱体径向伸缩。

更进一步的，所述降载头部的截锥形结构的半锥角为8.5°。

更进一步的，所述伸缩机构包括液压装置和滑道结构，所述柱体尾端安装有液压装置和滑道结构，所述尾舵在液压装置控制下沿柱体尾端的滑道结构径向伸缩。

更进一步的，所述尾舵数量为四个，沿周向均匀布置于尾舵的柱体结构尾端。

更进一步的，所述吸能装置包括棘齿、滑道、弹簧和棘爪，所述棘齿和滑道加工在降载头部的柱形结构内，所述棘齿与滑道连接，所述弹簧铆接于降载头部和柱体之间，所述棘爪设置在柱体内，与棘齿配合使用。

更进一步的，所述的可多次入水的仿生降载结构入水时，降载头部截锥端面会受到巨大的冲击载荷作用，从而压缩吸能装置的弹簧，吸收冲击载荷能量，冲击能量在撞水时储存于弹簧中，通过棘爪与棘齿的配合，限制弹簧回弹，最大程度减小入水初期结构所受冲击载荷，在水下稳定航行时放开棘爪，释放弹簧中储存的能量，为下一次吸能做准备。

更进一步的，所述可多次入水的仿生降载结构在空中飞行时伸展尾舵，低头俯冲时收缩尾舵；入水时，在冲击载荷作用下，降载头部内的弹簧被压缩，吸收冲击载荷能量；水下稳定航行时，棘爪放开，头部回弹，为下一次入水吸能做准备。

更进一步的，所述降载头部与柱体通过滑道连接。

更进一步的，所述柱体首端圆孔形区域内安装滑轮，所述滑轮采用十字形布置，通过滑轮与滑道配合，减小连接处的摩擦阻力，并限制头部运动轨迹。

更进一步的，所述头部设置有具有保护内部结构以及维持流线构型功能的圆柱形连接机构外罩。

更进一步的，所述柱体首端加工有凸台，柱体首端凸台直径小于头部的连接机构外罩直径，连接机构外罩与凸台间使用密封圈密封。

与现有技术相比，本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构的有益效果是：

(1)北方塘鹅是有名的捕鱼水鸟，北方塘鹅一次捕鱼过程可多次入水而身体不被冲击载荷所伤害。本发明利用仿生原理，分析北方塘鹅入水过程中的降载方式，设计降低入水冲击载荷的仿生结构构型，保证结构入水稳定性的前提下提高结构入水安全性。

(2)相比于常见的球形和尖拱形头帽，本发明采用的截锥形头帽在入水过程中碰撞高压区集中在截锥形头部端面；一方面，头部端面的压力作用线沿着体轴方向，可以充分压缩吸能装置，降低入水冲击载荷；另一方面，减弱径向载荷的负面影响，提升水下航行稳定性。

(3)本发明的缓冲材料选用棘爪和棘齿控制的弹簧，可最大限度的储存冲击能量，改善弹簧缓冲材料入水过程中的载荷震荡情况。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型空中飞行状态结构示意图；

图2为本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型入水前状态示意图；

图3为本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型入水后头部状态示意图；

图4为本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型头部与柱体连接处吸能装置内部示意图；

图5为本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型入水初期流场状态示意图；

图中：1-降载头部，2-柱体，3-尾舵，4-连接机构外罩，5-棘齿，6-滑轮滑道，7-弹簧，8-棘爪，9-滑轮。

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。

一、具体实施方式一，参见图1-5说明本实施方式，一种可多次入水的仿生降载结构，包括降载头部1、柱体2、尾舵3和吸能装置，所述降载头部1为截锥形结构，所述降载头部1与柱体2连接，头部1与柱体2连接处安装有吸能装置，所述尾舵3通过滑道机构连接于柱体2尾端。降载头部1加工有保护内部降载结构和保证外形光顺的连接机构外罩4，连接机构外罩4直径与柱体2的最大直径相同，肩部采用圆倒角过渡，柱体2尾端设置液压装置和滑道结构，根据不同航行状态控制尾舵伸缩。

所述降载头部1的截锥形结构的半锥角为8.5°。

所述尾舵3数量为四个，沿周向均匀布置于尾舵3的柱体结构尾端。

所述吸能装置包括棘齿5、滑道6和弹簧，所述棘齿5和滑道6加工在降载头部1的柱形结构上，所述弹簧7铆接于头部1和柱体2之间。在头部外罩4和柱形结构之间安装弹簧7作为吸能装置。

所述的可多次入水的仿生降载结构入水时，降载头部1截锥端面会受到巨大的冲击载荷作用，从而压缩吸能装置的弹簧7，吸收冲击载荷能量，冲击能量在撞水时储存于弹簧中7，通过棘爪8与棘齿5的配合，限制弹簧7回弹，最大程度减小入水初期结构所受冲击载荷，在水下稳定航行时放开棘爪8，释放弹簧7中储存的能量，为下一次吸能做准备。

所述可多次入水的仿生降载结构在空中飞行时伸展尾舵3，低头俯冲时收缩尾舵3；入水时，在冲击载荷作用下，降载头部1内的弹簧7被压缩，吸收冲击载荷能量；水下稳定航行时，棘爪8放开，头部回弹，为下一次入水吸能做准备。

所述降载头部1与柱体2通过滑道6连接。所述滑道6采用十字形布置。在降载头部1与柱体2连接处布置滑道6。入水过程头部会受到径向载荷的作用，使得头部与柱体间的摩擦力增加，滑道6与滑轮9配合可降低连接处的摩擦阻力系数，防止吸能机构失灵。此外，滑道6可限制头部的运动轨迹，控制头部仅能沿结构体轴方向伸缩。

所述头部1设置有具有保护内部结构以及维持流线构型功能的圆柱形连接机构外罩4。

所述柱体2首端加工有凸台，柱体2首端凸台直径小于头部1的连接机构外罩4直径，连接机构外罩4与凸台间使用密封圈密封。所述连接机构外罩4直径与柱体2的最大直径相同。

结合附图对本发明实例涉及的一种可多次入水的仿生降载结构构型进行解释说明。北方塘鹅的入水降载手段有主动降载和被动降载两种。主动降载指在入水前塘鹅会向后收拢展开的翅膀，减小与水体的接触面积，进而减小入水冲击载荷。被动降载指塘鹅颈部生长有入水缓冲作用的气囊，减小颈部所受冲击载荷。

本发明融合了北方塘鹅的降载手段，包括头部1、柱体2和尾舵3，所述头部1采用截锥形结构，半锥角为8.5°，头部与柱体连接处安装吸能装置，头部1具有保护内部吸能装置和保证外形光顺的外罩4，外罩4直径与柱体2直径相同，肩部采用圆倒角过渡，柱体2尾端安装控制尾舵升降的液压装置和限制尾舵运动范围的滑道结构，其中液压装置作为控制机构，滑道用于限制运动范围。尾舵3可沿柱体2径向伸缩，所述尾舵3数量为4个，沿柱体尾端周向均匀布置。

吸能装置的内部结构见图4，头部1的柱形结构上加工棘齿5和滑道6，在柱形结构上十字形布置，外罩4与头部柱形结构之间安装弹簧7作为吸能材料，弹簧7铆接于头部1与柱体2之间，柱体2首端加工成凸台，凸台与外罩4使用密封圈密封，柱体2首端圆孔区域内布置棘爪8与滑轮9。

本发明所述的一种可多次入水的仿生降载结构构型的空中飞行状态如图1所示，结构在空中高速飞行时，通过伸展尾舵3提升空中飞行稳定性，入水前收缩尾舵3，减小入水过程与水体的碰撞，入水前状态如图2所示。

本发明所述的头部1采用截锥构型，撞水时流场状态如图5所示，头部1的圆形端面在撞水时会形成明显的开空泡，使得头部其他区域沾湿面积极小，一方面可以减小结构所受径向载荷，增加入水稳定性；另一方面，由于弹簧7仅能吸收轴向冲击载荷，减小径向载荷可更充分的发挥弹簧的吸能作用。

弹簧7与棘齿5和棘爪8共同构成吸能装置，在弹簧7吸收冲击载荷后，在棘爪8的控制下，保持压缩状态将冲击载荷的能量储存起来，减小头部的震荡幅度，从而减小载荷波动。在水下稳定航行时，棘爪8放开，头部回弹，为下次入水吸能做准备。

本发明采用截锥形头帽，相比于常见的球形或尖拱形头帽，适用于小角度斜入水，截锥形头帽可减小结构所受径向载荷，提升入水稳定性。

本发明采用的吸能装置，相比于泡沫铝吸能，可应用于多次出入水；相比于单纯的弹簧吸能，可有效减小载荷震荡，提高稳定性。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：包括降载头部(1)、柱体(2)、尾舵(3)和吸能装置，所述降载头部(1)为截锥形结构，所述降载头部(1)与柱体(2)连接，降载头部(1)与柱体(2)连接处安装有吸能装置，所述尾舵(3)在伸缩机构的控制下能够沿柱体(2)径向伸缩。

2.根据权利要求1所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述降载头部(1)的截锥形结构的半锥角为8.5°。

3.根据权利要求1所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述伸缩机构包括液压装置和滑道结构，所述柱体(2)尾端安装有液压装置和滑道结构，所述尾舵(3)在液压装置控制下沿柱体(2)尾端的滑道结构径向伸缩。

4.根据权利要求1或3所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：尾舵(3)数量为四个，沿周向均匀布置于尾舵(3)的柱体结构尾端。

5.根据权利要求1所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述吸能装置包括棘齿(5)、滑道(6)、弹簧(7)和棘爪(8)，所述棘齿(5)和滑道(6)加工在降载头部(1)的柱形结构内，所述棘齿(5)与滑道(6)连接，所述弹簧(7)铆接于降载头部(1)和柱体(2)之间，所述棘爪(8)设置在柱体(2)内，与棘齿(5)配合使用。

6.根据权利要求5所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述可多次入水的仿生降载结构在空中飞行时伸展尾舵(3)，低头俯冲时收缩尾舵(3)；入水时，降载头部(1)截锥端面会受到巨大的冲击载荷作用，从而压缩吸能装置的弹簧(7)，吸收冲击载荷能量，冲击能量在撞水时储存于弹簧(7)中，通过棘爪(8)与棘齿(5)的配合，限制弹簧(7)回弹，最大程度减小入水初期结构所受冲击载荷，在水下稳定航行时放开棘爪(8)，释放弹簧(7)中储存的能量，为下一次吸能做准备。

7.根据权利要求5所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述降载头部(1)与柱体(2)通过滑道(6)连接。

8.根据权利要求5所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述滑道(6)采用十字形布置，所述柱体(2)首端圆孔形区域内安装若干滑轮(9)，若干滑轮(9)采用十字形布置，通过滑轮(9)与滑道(6)配合，减小连接处的摩擦阻力，并限制头部运动轨迹。

9.根据权利要求1所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述降载头部(1)设置有具有保护内部结构以及维持流线构型功能的圆柱形连接机构外罩(4)。

10.根据权利要求9所述的可多次入水的仿生降载结构，其特征在于：所述柱体(2)首端加工有凸台，柱体(2)首端凸台直径小于降载头部(1)的连接机构外罩(4)直径，连接机构外罩(4)与凸台间使用密封圈密封。

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