CN202243943U - 一种缓释减阻有鳞蒙皮结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻结构。一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，包括有鳞蒙皮主体，有鳞蒙皮主体的上表面为有鳞面，有鳞蒙皮主体的下表面设有至少两条减阻剂输送通道，至少两个减阻剂输送通道相互联通，减阻剂输送通道内设有联通上表面与下表面的通孔。还包括缓释电液控制系统，缓释电液控制系统包括速度继电器，速度继电器连接控制模块，控制模块连接液压泵的控制端。还包括储液罐，储液罐连接液压泵，液压泵通过输液管道连接减阻剂输送通道。由于采用上述技术方案，将本实用新型应用于减阻领域，能实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。

Description

一种缓释减阻有鳞蒙皮结构

技术领域

本实用新型涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻结构。

背景技术

鲨鱼是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5kph，在追捕猎物时可瞬时爆发到70kph。鲨鱼的高游速除了与其标准的流线型形体有关外，还与其特殊的微米级鳞片沟槽结构以及它体表分泌的粘液关系密切。一方面，鲨鱼只在需要高速机动时(比如捕食)才由鳞下表皮瞬时分泌出粘液，其他时间基本不会分泌粘液以避免浪费体能。是一种根据游速需要即时释放的机制；另一方面，鲨鱼鱼体粘液含有可轻微溶于水的粘性多糖类和纤维物质，溶于水时能有效衰减微湍流区边界层的振动，从而大大减少机动时的阻力，使其可以在短时间内达到一个相当高的瞬时加速度；再一方面，为了节省能量鲨鱼每次所分泌的粘液量通常很少，只在鳞片表面形成一层高分子薄膜，且该薄膜随消耗随补充，是一种缓慢释放的过程。鲨鱼表皮沟槽微形貌与粘液微缓释共同构成了“鲨鱼皮效应”，当前，模仿鲨鱼皮减阻机理、制造高逼真仿鲨鱼减阻结构已成为国内外研究的热点，在水下航行器特别是微小型水下航行器减阻领域具有重要应用价值。

目前在水下航行器仿生物减阻领域，主要是用仿形沟槽(如V形、U形、L形等)替代生物鳞片沟槽，用水溶性减阻剂(如聚丙烯酰胺和水性环氧树脂)替生物体粘液，并将后者直接合成或涂覆于前者表面而展开，减阻效率通常在15％以上。但该种仿生物减阻结构存在鳞片沟槽不逼真、减阻剂释放无法根据速度自动控制、减阻剂释放量大不易补充等问题，不仅减阻效率仍有待提高，而且使用维护成本相对较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，以解决上述技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，包括一有鳞蒙皮主体，所述有鳞蒙皮主体的上表面为有鳞面，其特征在于，所述有鳞蒙皮主体的下表面设有至少两条减阻剂输送通道，至少两个所述减阻剂输送通道相互联通，所述减阻剂输送通道内设有联通所述上表面与所述下表面的通孔；

还包括一缓释电液控制系统，所述缓释电液控制系统包括一速度继电器，所述速度继电器连接一控制模块，所述控制模块连接一液压泵的控制端；

还包括一用于存放减阻剂的储液罐，所述储液罐连接所述液压泵，所述液压泵通过输液管道连接所述减阻剂输送通道。

速度继电器用以检测转速信息，当转速信息达到一设定值时，速度继电器动作，触发控制模块控制所述液压泵工作，液压泵把存放在储液罐内的减阻剂抽到减阻剂输送通道内，减阻剂进而在压力的作用下经由通孔缓慢流到有鳞面外表面，在有鳞蒙皮主体表面形成自润滑膜，进一步实现减阻效能。

本实用新型的减阻结构应用到减阻领域，不仅具有高逼真生物鳞片沟槽形貌，而且还能模仿活体有鳞生物高速机动下的瞬时泌液机制，从而实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。本实用新型应用到水下航行器等领域时，速度继电器的转速设定值为航行器在一定航速下所对应的动力转速。上述设计能够有效提高减阻剂利用效率、提高水下航行器的高速机动性、减少航行阻力并增大其航程。

至少两条所述减阻剂输送通道纵横交错的设置在所述有鳞蒙皮主体的下表面。优选所述有鳞蒙皮主体的下表面设有至少四条所述减阻剂输送通道，至少四条所述减阻剂输送通道中的至少两条减阻剂输送通道相互平行，与另外至少两条减阻剂输送通道交叉设置，在下表面形成纵横交错的减阻剂输送通道。

所述减阻剂输送通道内设有至少两个所述通孔，相互平行的所述减阻剂输送通道内的所述通孔前后交错排列，在所述有鳞蒙皮主体上形成通孔阵列。减阻剂流经减阻剂输送通道，通过通孔释放到上表面，通过上述设计后，减阻剂的释放面积大大增加，能在上表面上形成一层减阻剂，以便形成高逼真仿生物释放减阻剂的目的。

所述减阻剂输送通道的长度为4mm～6mm，宽度为4mm～6mm，深度为1mm～2mm，存在交叉的两个所述减阻剂输送通道的夹角为30°～60°。

所述通孔阵列的行间距为6mm～12mm，列间距为6mm～12mm，所述通孔阵列中的通孔的直径为0.6mm～1.0mm。优选直径为0.4mm～0.8mm。

所述有鳞蒙皮主体的厚度为3mm～5mm。上述各规格设计，可以使有鳞蒙皮主体在使用过程中，即具有一定强度，又不至于过重。

所述缓释电液控制系统还包括一压力继电器，所述压力继电器与所述减阻剂输送通道联通，所述压力继电器连接所述控制模块。所述压力继电器检测所述减阻剂输送通道内的压力信息，当压力继电器检测到的压力信息高于一设定值时，所述压力继电器动作，触发所述控制模块控制所述液压泵停止工作；当压力继电器检测到的压力信息低于所述设定值时，所述压力继电器复位，触发所述控制模块控制所述液压泵启动。增设了压力继电器后，可以保证减阻剂输送通道内减阻剂的压力恒定。

所述缓释电液控制系统还包括一溢流阀，所述溢流阀的一端连接所述储液罐，所述溢流阀的另一端连接所述输液管道，以便维持所述输液管道内的压力恒定，实现过压保护。

所述液压泵与储液罐之间还设有一滤油器，所述滤油器用于过滤减阻剂内的杂质，以便防止减阻剂内的杂质堵塞通孔。

有益效果：由于采用上述技术方案，将本实用新型应用于减阻领域，不仅具有高逼真仿生物鳞片沟槽形貌，而且还能模仿活体有鳞生物高速机动下的瞬时泌液机制，从而实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。

附图说明

图1为本实用新型的有鳞蒙皮主体的结构示意图；

图2为本实用新型缓释电液控制系统的连接示意图；

图3为本实用新型控制模块的电路示意图；

图4为本实用新型制作方法的流程示意图；

图5为本实用新型高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板的微观表面形貌；

图6为本实用新型有鳞蒙皮主体及减阻剂输送通道的制作示意图；

图7为本实用新型有鳞蒙皮主体表面形貌光学显微示意图；

图8为本实用新型有鳞蒙皮主体背面的减阻剂输送通道结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。

参照图1、图6、图8，一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，包括一有鳞蒙皮主体1，有鳞蒙皮主体1可以是仿鲨鱼皮，也可以是其他具有有鳞表面的仿生物皮。有鳞蒙皮主体1的上表面为有鳞面11，有鳞蒙皮主体1的下表面设有至少两个减阻剂输送通道12，至少两个减阻剂输送通道12相互联通，减阻剂输送通道12内设有联通上表面与下表面的通孔13。

参照图8，减阻剂输送通道12优选采用长条形减阻剂输送通道，至少两条减阻剂输送通道12纵横交错的设置在有鳞蒙皮主体1的下表面。优选有鳞蒙皮主体1的下表面设有至少四条减阻剂输送通道12，至少四条减阻剂输送通道12中的至少两条减阻剂输送通道12相互平行，与另外至少两条减阻剂输送通道12交叉设置，在下表面形成纵横交错的减阻剂输送通道12。减阻剂输送通道12内设有至少两个通孔13，相互平行的减阻剂输送通道12内的通孔13前后交错排列，在有鳞蒙皮主体1上形成通孔阵列。

减阻剂输送通道12的长度为4mm～6mm，宽度为4mm～6mm，深度为1mm～2mm，存在交叉的两个减阻剂输送通道12的夹角为30°～60°。

通孔阵列的行间距为6mm～12mm，列间距为6mm～12mm，通孔阵列中的通孔13的直径为0.6mm～1.0mm。优选直径为0.4mm～0.8mm。

有鳞蒙皮主体1的厚度为3mm～5mm。上述各规格设计，可以使有鳞蒙皮主体1在使用过程中，即具有一定强度，又不至于过重。

参照图2、图3，还包括缓释电液控制系统，缓释电液控制系统包括速度继电器8，速度继电器8连接控制模块9，控制模块9连接液压泵5的控制端。还包括用于存放减阻剂的储液罐7，储液罐7连接液压泵5，液压泵5通过输液管道连接减阻剂输送通道12。速度继电器8用以检测转速信息，当转速信息达到一设定值时，速度继电器8动作，触发控制模块9控制液压泵5工作，液压泵5把存放在储液罐7内的减阻剂抽到减阻剂输送通道12内，减阻剂进而在压力的作用下经由通孔13缓慢流到有鳞面11外表面，在有鳞蒙皮主体1表面形成自润滑膜，进一步实现减阻效能。当转速信息低于设定值时，速度继电器8复位，触发控制模块9控制液压泵5停止工作，减阻剂不进行缓释。

缓释电液控制系统还包括一压力继电器3，压力继电器3与减阻剂输送通道12联通，压力继电器3连接控制模块9。压力继电器3检测减阻剂输送通道12内的压力信息，当压力继电器3检测到的压力信息高于一设定值时，压力继电器3动作，触发控制模块9控制液压泵5停止工作。当压力继电器3检测到的压力信息低于设定值时，压力继电器3复位，触发控制模块9控制液压泵5启动。增设了压力继电器3后，可以保证减阻剂输送通道12内减阻剂的压力恒定。

缓释电液控制系统还包括一溢流阀4，溢流阀4的一端连接储液罐7，溢流阀4的另一端连接输液管道，以便维持输液管道内的压力恒定，实现过压保护。

液压泵5与储液罐7之间还设有一滤油器6，滤油器6用于过滤减阻剂内的杂质，以便防止减阻剂内的杂质堵塞通孔13。

参照图4，一种缓释减阻有鳞蒙皮结构的制作方法，包括如下步骤：

第一步，高逼真生物鳞片沟槽复制：(A)通过生物表皮形貌复制模板的复制工艺，制作出高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板。(B)将高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用。生物表皮形貌复制模板可以采用现有技术制成。参照图5，为采用上述技术制成的高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板。

第二步，有鳞蒙皮主体及减阻剂输送通道的制作：参照图6，(A)将第一步制得的高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板14的有鳞面朝上置于硅橡胶浇铸模具15内，优选采用室温双组份模具硅橡胶RTV-II 5230作为浇铸材料，先将硅橡胶16与固化剂按质量比1000∶1混合，经真空脱气15min后浇注于高逼真仿生物鳞片沟槽阴模板14的有鳞表面，再真空脱气15min后静置2min。(B)将减阻剂输送通道模板17的凸起面朝下置于(A)步骤的硅橡胶液层上，减阻剂输送通道模板17的凸起面设有至少四条凸起，至少四条凸起中的至少两条凸起平行设置，与另外至少两条凸起交叉设置，并在凸起面上形成菱形凹槽。经真空脱气15min后于室温下静置24h，待其自然固化后脱模，便制得复型后的有鳞蒙皮主体1，有鳞蒙皮主体1的一面为有鳞面11，另一面设有减阻剂输送通道12，减阻剂输送通道12表面形成菱形凸起。凸起与减阻剂输送通道12匹配，菱形凹槽与菱形凸起匹配。参照图7，为有鳞蒙皮主体1表面形貌光学显微示意图，有鳞蒙皮主体1表面的有鳞面11其逼直度达到90％。

第三步，通孔阵列的制作：将2)制得的有鳞蒙皮主体1固定于微孔钻床上，采用直径为0.6mm～1.0mm的微孔钻头在减阻剂缓释通道内钻制通孔阵列。通孔阵列采用前后交错排列方式，行间距、列间距均控制在6mm～12mm，考虑到硅橡胶蒙皮材料的回弹特性，钻制出的通孔阵列中的通孔13的孔径保持在0.4mm～0.8mm。

第四步，有鳞蒙皮与应用对象粘接：有鳞蒙皮与所应用对象(如各种微小型水下机器人、微小型潜艇、鱼雷等)的粘接根据应用对象形状(如平面型、曲面型等)和尺寸的不同采取合理的拼接方式，以保证所有拼接面的光滑过渡。同时还应根据应用对象的具体工作环境采用具有适当粘接强度、适当耐水性能的粘接材料(如防水型强力胶和补缝类密封胶)，且必须保证蒙皮粘接牢固、均匀、无气泡、无明显接缝和凸台等。此外，还要保证鳞片沟槽方向与来流方向一致。

第五步，缓释电液控制系统的安装调试：缓释电液控制系统包括速度继电器8、压力继电器3、液压泵5、储液罐7、控制模块9。速度继电器8安装于应用对象2的动力转动装置上，压力继电器3与有鳞蒙皮1背面的减阻剂输送通道12相连通，内装减阻剂的储液罐7通过滤油器6连接液压泵5，液压泵5通过输液管道与减阻剂输送通道12联通；速度继电器8、压力继电器3分别连接控制模块9，控制模块9连接液压泵5的控制端。缓释电液控制系统还包括溢流阀4，溢流阀4分别连接储液罐7和输液管道，为输液管道提供过压保护。

实施方式一：缓释电液控制系统中的控制模块9可以采用如图3所示的电路图。将应用对象2上动力转动装置的转速与其实际航行速度相对应，设定应用对象2在一定航速(如40kph)下所对应的动力转速为速度继电器8的设定值(根据航行速度需要可任意设定)。

速度继电器8检测到转速信息高于一设定值时，速度继电器8动作控制模块中的KS-1闭合，接触器线圈KM1得电，常开触点KM1闭合，电动机M带动液压泵5工作，控制模块9中的常开触点KM1闭合，指示灯EL1点亮，表示液压泵5正在工作，把减阻剂抽到减阻剂输送通道12内，进而在压力作用下经由有鳞蒙皮主体1上的通孔阵列缓慢流到有鳞蒙皮主体1外表面，形成自润滑薄膜，进而同有鳞面11一起发挥高效减阻效能。反之，当动力转动装置的转速低于该设定值时，液压泵5停止工作，减阻剂也不会进行缓释。

此外，当减阻剂输送通道12内的压力升高到一定设定值时(该压力设定值可根据减阻剂缓释量的不同需求进行任意设定)，触发压力继电器3工作，压力继电器微动开关KP-1闭合，使接触器线圈KM2得电，从而使常闭触点KM2断开，使接触器线圈KM1失电，从而使得常开触点KM1断开，液压泵5停止工作，同时由于KM1失电、KM2得电，使得指示灯EL1熄灭、指示灯EL2得电，此时表示液压泵5已停止工作。当输送通道内的压力低于设定值时，压力继电器3复位，压力继电器3动作，开关KP-1复位，接触器线圈KM2失电，常闭触点KM2复位，接触器线圈KM1得电，常开触点KM1闭合，电动机M工作，液压泵5启动，同时指示灯EL1点亮、EL2熄灭表示液压泵5已开始工作。

在控制模块9中可以设有液位行程开关SQ1，EL3是储液罐7内减阻剂的液位指示灯。当储液罐7内的减阻剂缺少时，液位行程开关SQ1断开，EL3熄灭，指示储液罐7内缺少减阻剂。

此外，根据应用对象供电模式(直流或交流)的不同，控制模块9内的元器件也应相应进行适配。

实施方式二：采用本实用新型的制作方法制成的有鳞蒙皮主体1应用于微小型水下机器人、微小型潜艇、鱼雷等在水下航行的应用对象2与液体接触的表面。如图1所示，有鳞蒙皮主体1采用防水型强力胶粘接在应用对象2的外表面，有鳞蒙皮主体1的有鳞面11朝外，含有减阻剂输送通道12的那一面紧贴应用对象2的外表面。有鳞面11的鳞片沟槽方向与流水方向一致。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，包括一有鳞蒙皮主体，所述有鳞蒙皮主体的上表面为有鳞面，其特征在于，所述有鳞蒙皮主体的下表面设有至少两条减阻剂输送通道，至少两个所述减阻剂输送通道相互联通，所述减阻剂输送通道内设有联通所述上表面与所述下表面的通孔；

还包括一缓释电液控制系统，所述缓释电液控制系统包括一速度继电器，所述速度继电器连接一控制模块，所述控制模块连接一液压泵的控制端；

还包括一用于存放减阻剂的储液罐，所述储液罐连接所述液压泵，所述液压泵通过输液管道连接所述减阻剂输送通道。

2.根据权利要求1所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：至少两条所述减阻剂输送通道纵横交错的设置在所述有鳞蒙皮主体的下表面。

3.根据权利要求2所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述有鳞蒙皮主体的下表面设有至少四条所述减阻剂输送通道，至少四条所述减阻剂输送通道中的至少两条减阻剂输送通道相互平行，与另外至少两条减阻剂输送通道交叉设置，在下表面形成纵横交错的减阻剂输送通道。

4.根据权利要3所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述减阻剂输送通道内设有至少两个所述通孔，相互平行的所述减阻剂输送通道内的所述通孔前后交错排列，在所述有鳞蒙皮主体上形成通孔阵列。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述减阻剂输送通道的长度为4mm～6mm，宽度为4mm～6mm，深度为1mm～2mm，存在交叉的两个所述减阻剂输送通道的夹角为30°～60°。

6.根据权利要求5所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述通孔阵列的行间距为6mm～12mm，列间距为6mm～12mm，所述通孔阵列中的通孔的直径为0.6mm～1.0mm。

7.根据权利要求6所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述有鳞蒙皮主体的厚度为3mm～5mm。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述缓释电液控制系统还包括一压力继电器，所述压力继电器与所述减阻剂输送通道联通，所述压力继电器连接所述控制模块。

9.根据权利要求8所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述缓释电液控制系统还包括一溢流阀，所述溢流阀的一端连接所述储液罐，所述溢流阀的另一端连接所述输液管道。

10.根据权利要求1所述的一种缓释减阻有鳞蒙皮结构，其特征在于：所述液压泵与储液罐之间还设有一滤油器。

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