CN115419468A - 一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法，属于流体机械设备技术领域，本发明的仿生翼型由仿生翼型前缘和基础翼型尾缘连接得到，仿生翼型前缘根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H₁对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到；本发明的仿生叶片，其翼型为上述仿生翼型，结构包括内部中空的仿生叶片前端、仿生叶片尾部，调节机构和柔性连接结构，所述仿生叶片前端、仿生叶片尾部的连接端通过柔性连接结构实现有间隔连接，调节机构设置在所述仿生叶片的空腔中用于调节仿生叶片前端的运动状态，本发明的仿生翼型能避免旋转叶轮和航空叶片在工作时遇到变工况或者极端工况，得到气动性能更优的叶片。

Description

一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法

技术领域

本发明属于流体机械设备技术领域，具体属于一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法。

背景技术

在旋转叶轮机械和航空叶片中，翼型作为流体机械设备的基本单元，翼型设计优劣决定了相关设备的性能。流动分离现象普遍存在于翼型扰流中，且流动分离会影响翼型的流体动力学特性并增加能量损失，还会引起翼型表面气动力的剧烈波动，限制相关设备的安全与高效运行。因此，研究翼型的流动分离控制技术具有十分重要的意义。为了抑制这一现象的发生，人们发现仿生学作为连接自然界和科学的纽带，在改善翼型气动性能方面已经取得了很大的进展，通过生物本身的结构功能为旋转叶轮机械以及航空叶片的设计制造提供了新思路和新方法。因此，从自然界获取灵感发明创造节能、减阻、降噪、抑制流动分离等多种控制方式，有利于进一步提升旋转叶轮机械和航空叶片的设计水平和开发产品的性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法，避免旋转叶轮和航空叶片在工作时遇到变工况或者极端工况，得到气动性能更优的叶片。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型，由仿生翼型前缘和基础翼型尾缘连接得到，所述仿生翼型前缘根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H₁对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到。

本发明还提供一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，具体步骤如下：

S1以水生蛇头部最前缘点作为坐标原点建立x-y坐标系，获取生蛇头部横截面轮廓外形的特征点，对特征点进行非线性光滑曲线拟合，得到水生蛇头部轮廓线；

S2根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H₁和水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H₂对水生蛇头部轮廓线进行i倍的比例缩放，得到仿生翼型前缘；

S3将仿生翼型前缘的连接端和基础翼型尾缘连接端连接得到仿水生蛇头部型线的仿生翼型。

进一步的，S1中，将提取的水生蛇头部特征点根据曲线弯曲特征分为曲线段A、曲线段B和曲线段C，并对三个部分的特征点分别进行了非线性光滑曲线拟合，得到了拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3以及拟合曲线对应的控制方程y₁、y₂和y₃，具体如下：

其中，k表示不同大小水生蛇头部特征之间的差异度，y_1k、y_2k和y_3k为不同尺寸大小的水生蛇头部拟合曲线对应的控制方程；

对控制方程y_1k、y_2k和y_3k的特征点进行离散化，将得到的特征点依次相连即可获得水生蛇头部轮廓线。

进一步的，S2中，根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H₁与水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H₂之间的几何倍数关系对拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3进行比例缩放，即可获得适用于基础翼型尾缘的仿生翼型前缘轮廓线方程d₁、d₂、d₃：

其中，i为缩放比例；

将仿生翼型前缘轮廓线方程d₁、d₂、d₃对应的曲线依次连接得到仿生翼型前缘16。

进一步的，所述基础翼型尾缘的弦长为L₂，L₂＝(0.6-0.85)×c，其中，c为基础翼型的弦长。

本发明还提供一种仿生叶片，其翼型为上述仿生翼型，结构包括内部中空的仿生叶片前端、仿生叶片尾部，调节机构和柔性连接结构，所述仿生叶片前端、仿生叶片尾部的连接端通过柔性连接结构实现有间隔连接，调节机构设置在所述仿生叶片的空腔中用于调节仿生叶片前端的运动状态。

进一步的，所述柔性连接结构为弹性柔性蒙皮，仿生叶片前端与仿生叶片尾部连接端外表面通过弹性柔性蒙皮连接。

进一步的，所述弹性柔性蒙皮通过固定螺钉固定在仿生叶片前端与仿生叶片尾部连接端的外表面上

进一步的，所述调节机构包括舵盘和舵机，舵盘通过舵盘安装支架设置在仿生叶片前端内腔中，舵机通过舵机固定支架固定在仿生叶片尾部内腔中，舵盘通过其上的第二舵盘配合孔与舵机的舵机轴连接。

进一步的，仿生叶片前端有三个运动状态，分别为下俯、中间状态和上仰，具体的：

下俯状态的下俯角度-30°≤θ<0°；

中间状态的角度θ＝0°；

上仰状态的上仰角度0°<θ≤30°。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种仿生翼型，根据水生蛇的头部特征进行设计的，水生蛇作为一种在水中生活的生物，在长期的自然进化中形成了圆滑、流畅、呈流线型的头部特征，这些特征使水生蛇具有独特高效的减阻机制和快速、噪声低的游动特性。水生蛇的头部作为冲击气流的迎流面，来流对头部具有较大的压力和阻力，但实际水生蛇头部轮廓能有效缓解来流冲击，有效分流，减小流动阻力，而常规翼型叶片的前缘作为迎流面也会受到较大的气流冲击和阻力。因此，根据水生蛇头部流线型特征型线所建立的仿生翼型具有缓解来流冲击，减小翼型表面流动阻力，提高气动性能的优点。

上述获得的仿生翼型具有比常规翼型更高的升阻力系数，因此由此翼型制备的仿生叶片也具有更好的气动性能。由于水生蛇头部会调整至上仰或下俯姿态来加速游动，减小流动阻力，根据此特征，本发明结合上述仿生翼型和高效的仿生游动姿态来制备前端可调节的仿生叶片。该仿生叶片与传统的仿生叶片不同，主要是因为该仿生叶片前端与仿生叶片尾部之间并没有固定连接，而是在仿生叶片前端与仿生叶片尾部之间设置有舵盘和舵机。其中，舵盘和舵机相互配合，根据叶片运行的工况将信号反馈到舵机上，舵机做出响应，带动舵盘转动，由于舵盘和仿生叶片前端之间是通过舵盘安装支架、舵盘与仿生叶片前缘的配合孔、仿生叶片前端支架与舵盘配合孔固定的，所以舵盘转动也会带动仿生叶片前端的转动。由于仿生叶片前端需要完成上下俯仰偏转运动，所以在仿生叶片前端和仿生叶片尾部之间需要留有一定的间隙，间隙值为0.04倍的L₂，即可保证在仿生叶片前端上仰和下俯时，与和仿生叶片尾部之间不发生碰撞。但是为了叶片具有更高的气动性能，进一步提高能量的获取效率，本发明还在该间隙之间设有弹性柔性蒙皮，减少了阻力。

附图说明

图1为本发明选取的水生蛇头部特征图；

图2为本发明水生蛇头部特征点提取图；

图3为本发明水生蛇头部特征点及拟合曲线图；

图4为本发明仿生翼型前缘轮廓线；

图5为本发明仿水生蛇翼型前缘与翼型的结合过程图；

图6为本发明仿生叶片主视图；

图7为本发明仿生叶片俯视图；

图8为本发明仿生叶片侧视图1；

图9为本发明仿生叶片侧视图2；

图10为本发明仿生叶片前缘及相关机构图；

图11为本发明仿生叶片爆炸图；

图12为本发明仿生叶片舵机图；

图13为本发明仿生叶片舵盘图；

图14为本发明仿生叶片前端图；

图15为本发明仿生叶片尾部图；

图16为本发明仿生叶片前端运动状态图；

图17为本发明仿生叶片前端运动流程图；

附图中：1-仿生叶片前端，2-弹性柔性蒙皮，3-舵机固定安装孔，4-舵盘，5-舵机，6-仿生叶片尾部，7-弹性柔性蒙皮固定螺钉，8-舵盘与仿生叶片前缘的配合孔，9-舵机轴，10-仿生叶片尾部舵机固定支架，11-舵盘安装支架，12-仿生叶片前端支架与舵盘配合孔，13-舵盘与舵机轴配合孔，14-支架固定舵机孔，15-基础翼型尾缘，16-仿生翼型前缘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一、一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型，通过提取水生蛇的头部特征获得水生蛇头部轮廓线，将水生蛇头部轮廓线根据基础翼型尺寸进行等比缩放获得仿生翼型前缘16，经过缩放后的仿生翼型前缘16与基础翼型尾缘15连接端的对应端点相互连接即可得到本发明的仿水生蛇头部轮廓的仿生翼型，具体步骤为：

1)如图1所示，为了提取水生蛇的头部特征，对实际水生蛇样本进行CT扫描，获得实际水生蛇样本的头部三维结构特征，选取的水生蛇头部尺寸的长度为L₁，采用逆向重构方法，以水生蛇头部最前缘点作为坐标原点建立x-y坐标系，并对水生蛇头部横截面轮廓外形的特征点进行提取(x，y)，提取结果如图2所示。

2)为了将提取的特征点用参数表述，将提取的水生蛇头部特征点根据曲线弯曲特征分为曲线段A、曲线段B和曲线段C三部分，并对三个部分的特征点分别进行了非线性光滑曲线拟合，得到了拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3以及拟合曲线对应的控制方程y₁、y₂和y₃，如图3所示；

拟合曲线1、拟合曲线2和拟合曲线3所对应的拟合曲线方程如下：

上述y_1k、y_2k和y_3k分别为拟合曲线1、拟合曲线2和拟合曲线3所对应的方程，拟合曲线1对应于曲线段A，拟合曲线2对应于曲线段B，拟合曲线3对应于曲线段C。上述方程适用于不同尺寸大小的水生蛇头部轮廓线方程，其中，k表示不同大小水生蛇头部特征之间的差异度，k＝0.3～2。

3)如图4所示，对控制方程y₁、y₂和y₃进行离散化，将得到的仿生翼型前缘16特征点依次相连即可获得水生蛇头部轮廓线；

4)根据基础翼型尾缘15连接端上下两端点的距离H₁和水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H₂对水生蛇头部轮廓线进行i倍的比例缩放，即可获得可以应用于已有翼型上的仿生翼型前缘16，具体的：

将拟合曲线1、拟合曲线2和拟合曲线3的方程根据H₁与H₂的几何倍数关系进行i倍的比例缩放，即可获得适用于特定尺寸基础翼型的仿生翼型前缘轮廓线方程d₁、d₂、d₃：

其中，i为缩放比例。

5.如图5所示，基础翼型分为基础翼型前缘和基础翼型尾缘15，基础翼型前缘用仿生翼型前缘16替换，得到仿生翼型，根据仿蛇头部型线在翼型前缘所占弦长的比例预估得到基础翼型尾缘15的弦长为L₂，L₂＝(0.6-0.85)×c，其中，c为基础翼型的弦长。

二、基于上述仿生翼型本发明还制备了一种仿生叶片，该仿生叶片为前缘可动态调节，表面采用弹性柔性蒙皮对其表面进行光滑过渡，在不同的工况下，通过控制仿生叶片前端进行不同角度的俯仰运动，可以使叶片具有更高的气动性能，提高能量利用率，具体的：

1)上述仿生叶片是前缘可动态调节的仿生叶片，因为水生蛇作为一种具有快速游动、游动阻力小和游动噪声低的水生动物之一，它的头部轮廓结构特殊，移动速度快，在遇到捕食对象时，头部会调整至上仰或下俯姿态来加速游动(如图1左图所示)，以进一步减小周围流体对其头部的阻力，抑制游动噪声的产生，提高游动效率，进而为它在捕食攻击期间提供良好的水动力优势且提高捕食成功率。因此，本发明设计了前缘可动态调节的仿生叶片来进一步提高叶片的气动性能。它是根据已确定的仿生翼型通过轴向拉伸蒙皮所设计制备的，且该叶片中间为空心结构。

2)如图6～9所示，本发明的仿生叶片由内部中空的仿生叶片前端1和仿生叶片尾部6通过柔性连接结构有间隔连接得到，仿生叶片前端1横截面线型轮廓为仿生翼型前缘16，上述仿生叶片的内腔中还设置有调节机构，为了将仿生叶片前端1与仿生叶片尾部6的表面进行光滑连接并减少阻力，在仿生叶片前端1和仿生叶片尾部6之间需要留有一定的间隙，间隙值为0.04倍的L₂，即可保证在仿生叶片前端上仰和下俯时，与和仿生叶片尾部之间不发生碰撞。

本发明将仿生叶片前端1与仿生叶片尾部6通过弹性柔性蒙皮2连接，弹性柔性蒙皮结构2可根据仿生前缘的转动进行不同程度的伸缩，以此减少流动阻力和表面非光滑性。

如图10～15所示，调节机构包括舵盘4、舵机5、第一舵盘配合孔8、舵机轴9、舵机固定支架10、舵盘安装支架11、支架配合孔12、第二舵盘配合孔13；

仿生叶片前端1内腔中固定有舵盘安装支架11，舵盘4一端设置第一舵盘配合孔8，通过第一舵盘配合孔8和舵盘安装支架11上的支架配合孔12实现舵盘4与舵盘安装支架11固定连接；舵盘4的另一端设置第二舵盘配合孔13，第二舵盘配合孔13用于与舵机轴9连接实现舵盘4与舵机5的连接。

舵机5上设置有舵机固定安装孔3，舵机固定支架10上设置有支架固定舵机孔14，通舵机5上固定安装孔3和舵机固定支架10上支架固定舵机孔14将舵机5固定在仿生叶片尾部6内腔中。

本发明的舵盘4和舵机5的相互配合使得仿生叶片前缘能够按照不同的工况进行俯仰偏转运动，从而提高叶片的气动性能。

优选的，弹性柔性蒙皮2通过固定螺钉7固定在仿生叶片前端1与仿生叶片尾部6连接端的外表面上。

根据水生蛇在捕食或逃避敌害时，头部会调整至上仰或下俯姿态来加速游动以进一步减小头部迎流流动阻力，抑制游动噪声的产生，提高游动效率，基于此仿生俯仰状态，本发明仿生叶片前端可以有三个运动状态，分别为下俯、中间状态和上仰，仿生叶片前端运动调节流程如图17。

仿生叶片前端下俯状态：根据气动性能检测机构，反馈和评价运行工况，调整仿生叶片前端下俯来提高叶片的气动性能，提高能量利用率，将该信号反馈到舵机5上，舵机5做出响应，带动舵盘4转动和仿生前缘叶片1以及舵盘安装支架11一起完成下俯运动，而仿生叶片尾部6保持原来的状态。如图16所示，本发明中仿生叶片前端下俯状态的下俯角度-30°≤θ<0°。

仿生叶片前端中间状态：根据运行工况仿生叶片前端不需要俯仰运动来提高叶片的气动性能，提高能量利用率，将该信号反馈到舵机5上，舵机5不做出响应，舵盘4不转动，仿生前缘叶片1以及舵盘安装支架11保持原来的状态，仿生叶片尾部6也保持原来的状态。本发明中仿生叶片前端中间状态的角度θ＝0°。

仿生叶片前端上仰状态：根据运行工况仿生叶片前端需要上仰来提高叶片的气动性能，提高能量利用率，将该信号反馈到舵机5上，舵机5做出响应，带动舵盘4转动和仿生前缘叶片1以及仿生叶片前端舵盘安装支架11一起完成上仰运动，而仿生叶片尾部6保持原来的状态。本发明中仿生叶片前端上仰状态的上仰角度0°<θ≤30°。

Claims (10)

1.一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型，其特征在于，由仿生翼型前缘(16)和基础翼型尾缘(15)连接得到，所述仿生翼型前缘(16)根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H₁对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到。

2.权利要求1所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1以水生蛇头部最前缘点作为坐标原点建立x-y坐标系，获取水生蛇头部横截面轮廓外形的特征点，对特征点进行非线性光滑曲线拟合，得到水生蛇头部轮廓线；

S2根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H₁和水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H₂对水生蛇头部轮廓线进行i倍的比例缩放，得到仿生翼型前缘(16)；

S3将仿生翼型前缘(16)的连接端和基础翼型尾缘(15)连接端连接得到仿水生蛇头部型线的仿生翼型。

3.根据权利要求2所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，S1中，将提取的水生蛇头部特征点根据曲线弯曲特征分为曲线段A、曲线段B和曲线段C，并对三个部分的特征点分别进行了非线性光滑曲线拟合，得到了拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3以及拟合曲线对应的控制方程y₁、y₂和y₃，具体如下：

其中，k表示不同大小水生蛇头部特征之间的差异度，y_1k、y_2k和y_3k为不同尺寸大小的水生蛇头部拟合曲线对应的控制方程；

对控制方程y_1k、y_2k和y_3k的特征点进行离散化，将得到的特征点依次相连即可获得水生蛇头部轮廓线。

4.根据权利要求3所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，S2中，根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H₁与水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H₂之间的几何倍数关系对拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3进行比例缩放，即可获得适用于基础翼型尾缘(15)的仿生翼型前缘轮廓线方程d₁、d₂、d₃：

其中，i为缩放比例；

将仿生翼型前缘轮廓线方程d₁、d₂、d₃对应的曲线依次连接得到仿生翼型前缘16。

5.根据权利要求2所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，所述基础翼型尾缘(15)的弦长为L₂，L₂＝(0.6-0.85)×c，其中，c为基础翼型的弦长。

6.一种仿生叶片，其特征在于，其翼型为权利要求1所述仿生翼型，结构包括内部中空的仿生叶片前端(1)、仿生叶片尾部(6)，调节机构和柔性连接结构，所述仿生叶片前端(1)、仿生叶片尾部(6)的连接端通过柔性连接结构实现有间隔连接，调节机构设置在所述仿生叶片的空腔中用于调节仿生叶片前端(1)的运动状态。

7.根据权利要求6所述的一种仿生叶片，其特征在于，所述柔性连接结构为弹性柔性蒙皮(2)，仿生叶片前端(1)与仿生叶片尾部(6)连接端外表面通过弹性柔性蒙皮(2)连接。

8.根据权利要求7所述的一种仿生叶片，其特征在于，所述弹性柔性蒙皮(2)通过固定螺钉(7)固定在仿生叶片前端(1)与仿生叶片尾部(6)连接端的外表面上。

9.根据权利要求6所述的一种仿生叶片，其特征在于，所述调节机构包括舵盘(4)和舵机(5)，舵盘(4)通过舵盘安装支架(11)设置在仿生叶片前端(1)内腔中，舵机(5)通过舵机固定支架(10)固定在仿生叶片尾部(6)内腔中，舵盘(4)通过其上的第二舵盘配合孔(13)与舵机(5)的舵机轴(9)连接。

10.根据权利要求6所述的一种仿生叶片，其特征在于，仿生叶片前端(1)有三个运动状态，分别为下俯、中间状态和上仰，具体的：

下俯状态的下俯角度-30°≤θ<0°；

中间状态的角度θ＝0°；

上仰状态的上仰角度0°<θ≤30°。

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