利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮的製作方法

2023-07-27 18:05:06 6

利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮的製作方法
【專利摘要】本發明涉及工程仿生【技術領域】，具體涉及一種利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，包括支撐座、硬化導電層I、人工肌肉伸縮單元、硬化導電層II、仿鯊魚鱗片表皮層，還包括一減阻劑橫向推注裝置，其中人工肌肉伸縮單元包括具有一定支撐強度的形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導線。與現有技術相比，本發明採用的形狀記憶合金人工肌肉設計，利用其獨特的材質特性即受自身轉變溫度驅使所呈現出的雙程記憶效應來模擬鯊魚皮的微量泌液機制，其推注微量減阻劑的工作模式及控制方法較現有手段更為靈敏、可控、可靠，使用壽命得到有效保證，在結構和功能仿生方面為工程仿生技術特別是仿生減阻表皮製造技術的發展提供了有益範例。
【專利說明】 利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種仿生鯊魚皮，更特別地說，是指一種利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，屬於工程仿生【技術領域】。
【背景技術】
[0002]有效降低航行器的表面阻力以提高速度、機動性、續航力以及燃料利用效率，對於國民經濟和國防安全具有重要意義。鯊魚、海豚、金槍魚等高遊速水下生物無疑為人類提供了極為寶貴的工程仿生範本，有針對性地研發高效、低阻仿生減阻表皮成為當前的研究熱點和難點。
[0003]鯊魚的高遊速除了與其完美的流線型形體有關外，還與其表皮特殊的微鱗片結構及其鱗下分泌的粘液關係密切，二者的協同耦合減阻機能被學術界稱作「鯊魚皮效應」(Shark Skin Effect)。當前有關仿S魚複合減阻結構的研究多見報導，比如專利號為ZL201110261668.8的中國專利公開了一種即時緩釋減阻劑的高逼真仿鯊魚減阻結構及其製作方法，通過在仿鯊魚溝槽微形貌上製作微孔陣列，藉助電液控制系統控制減阻劑由泵源經由該微孔陣列向仿鯊魚微鱗片表面緩釋減阻劑以達到仿鯊魚複合減阻的效果；再比如專利號為 ZL201110261667.3、ZL201110261739.4、ZL201110261678.1 的中國專利公開了一系列以硅藻土中的硅藻殼體為緩釋媒介，向同時以硅藻土為構形介質製作出的高逼真仿鯊魚微鱗片表面緩釋減阻劑的方法。但上述結構或方法存在製作工藝複雜、控制方法繁瑣、使用壽命短、可操作性差等問題。
[0004]人工肌肉是近幾十年問世的一種新型智能材料，它能夠在外加電場、環境溫度或酸鹼度的作用下，通過材料內部結構的改變而伸縮並產生力的作用，具有和生物肌肉十分相似的機能。目前已研發出的人造肌肉材料涉及聚合物、金屬、凝膠以及碳納米管等，其中形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMA)是當前應用較為成熟的人工肌肉材料之一。SMA是一種能夠記憶原有形狀的智能材料，當溫度低於其轉變溫度時將其人為變形，則當溫度高於其轉變溫度時其可自動恢復到變形前形狀，且具有雙程記憶效應的SMA可在重新冷卻至轉變溫度以下時又能回復到其低溫相形狀。形狀記憶合金人工肌肉充分利用了SMA這種獨特的雙程形狀記憶效應，利用外來熱源控制其溫度在轉變溫度上下轉換，從而使其不斷在低溫相與高溫相之間往復變形，進而展現出類似肌肉伸縮的較大力量，從而實現某種力的功能。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於，提供一種利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，以解決上述技術問題。
[0006]本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現:利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於，包括支撐座、硬化導電層1、人工肌肉伸縮單元、硬化導電層I1、仿鯊魚鱗片表皮層，所述支撐座用於支撐並將仿生鯊魚皮安裝固定於載體外殼壁面，所述硬化導電層I的下表面與支撐座上表面相固定，所述硬化導電層II的上表面與仿鯊魚鱗片表皮層的下表面相膠合，若干數量的人工肌肉伸縮單元呈陣列化豎直排布於硬化導電層I和硬化導電層II之間所夾的空間內，所述人工肌肉伸縮單元包括具有一定支撐強度的形狀記憶合金人工肌肉簧、牽拉頭、兩段式電加熱棒和連接導線，形狀記憶合金人工肌肉簧的一端在保持與硬化導電層I絕緣的同時與支撐座固定連接，另一端在與硬化導電層II絕緣的同時與牽拉頭固定連接，藉由可伸縮連接導線串聯起來的兩段式電加熱棒中的一段與硬化導電層I做導電連接，另一段與硬化導電層II做導電連接，牽拉頭的底面與硬化導電層II的上表面相膠合，牽拉頭的其餘面與仿鯊魚鱗片表皮層下表面所開設的若干牽拉孔相對應固定連接，仿鯊魚鱗片表皮層的上表面製作有若干高逼真仿鯊魚微鱗片，仿鯊魚鱗片表皮層上開有一定數量、規則排列的通孔型表皮泌液微孔，硬化導電層II上開有一定數量、規則排列且與表皮泌液微孔對應連通的硬化導電層II輸液通孔，硬化導電層I上開有一定數量、規則排列的硬化導電層I輸液通孔，支撐座上開有一定數量、規則排列且與硬化導電層I輸液通孔對應連通的支撐座輸液通孔；還包括一減阻劑橫向推注裝置，所述減阻劑橫向推注裝置包括儲液罐、水溶性減阻劑、管路、單向閥1、推注活塞、推注缸進口、推注缸出口、推注缸、單向閥II，儲液罐用於存儲水溶性減阻劑以作為推注用減阻劑的來源，一定數量的單向閥I固定於支撐座下表面上，其來流端通過管路連通儲液罐，其去流端依次經由支撐座輸液通孔和硬化導電層I輸液通孔與推注缸進口連通，一定數量的推注缸橫向固定於硬化導電層I的上表面，推注缸的封閉空間內注滿水溶性減阻劑，推注活塞的一端處於推注缸內且與推注缸內壁保持滑動密封連接，其另一端與形狀記憶合金人工肌肉簧的外圓柱面縱向中間部位固定連接，一定數量的單向閥II固定於硬化導電層II下表面上，其來流端與推注缸出口連通，其去流端依次經由硬化導電層II輸液通孔和表皮泌液微孔與仿鯊魚鱗片表皮層外空間相連通。
[0007]所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，硬化導電層I和硬化導電層II的厚度是0.5 mm?0.8 mm，自然狀態下硬化導電層I和硬化導電層II之間所夾空間的厚度是3.0 mm?5.0 mm,仿S魚鱗片表皮層的厚度是1.5 mm?2.0 mm,陣列化排布的人工肌肉伸縮單元之間的間距是15.0 mm?20.0 mm。
[0008]所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，所推注的水溶性減阻劑的成分是聚丙烯醯胺水溶液，其質量百分比濃度為0.020%。?0.130%0。
[0009]所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，製作形狀記憶合金人工肌肉簧所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金，其轉變溫度範圍為55°C?85°C。
[0010]所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，製作形狀記憶合金人工肌肉簧時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為1.5 mm?2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為3.0 _?5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀。
[0011]本發明的工作原理為:在環境溫度低於所用形狀記憶合金轉變溫度的工況下，將該仿生鯊魚皮安裝於水下航行器載體外殼壁面，在載體航行過程中通過採集水溫、航行速度、水密度、動力粘度等參數計算當前工況下的雷諾數以判斷水流狀態；當水流達到湍流時，給硬化導電層I和硬化導電層II通電以加熱兩段式電加熱棒，使得形狀記憶合金人工肌肉簧快速升溫至其轉變溫度以上，進而形狀記憶合金人工肌肉簧基於自身材質特性將自行由瘦長型壓縮彈簧變形為短粗型壓縮彈簧；若干形狀記憶合金人工肌肉簧的上述形變一方面將帶動牽拉頭牽拉硬化導電層II和仿鯊魚鱗片表皮層，另一方面將推動與其綁定的推注活塞在推注缸內做橫向滑動，進而擠壓推注缸內現有的水溶性減阻劑，其結果是單向閥II被動開通使得部分減阻劑經由推注缸出口、硬化導電層II輸液通孔和表皮泌液微孔排到仿鯊魚鱗片表皮層的仿鯊魚微鱗片上及流體介質中，此時仿鯊魚微鱗片與排出的水溶性減阻劑開始發揮協同耦合減阻效能，完成一次橫向推注動作；減阻劑經過一定時間會自然降解及流失，系統需要及時給表皮層補充減阻劑，此時給加熱棒斷電以使形狀記憶合金人工肌肉簧降溫，當其降至轉變溫度以下時，形狀記憶合金人工肌肉簧將反過來由短粗型壓縮彈簧變形為瘦長型壓縮彈簧，進而牽拉與其綁定的推注活塞在推注缸內做反方向橫向滑動，使得推注缸內減阻劑壓強降低，其結果是單向閥I被動開通，儲液罐內的部分減阻劑將經由支撐座輸液通孔、硬化導電層I輸液通孔和推注缸進口被抽至推注缸內，完成一次橫向抽取動作；一次橫向推注動作和一次橫向抽取動作構成一個完整的減阻劑推注周期，繼續加電將開啟下一個推注周期。
[0012]本發明與現有技術相比，具有如下優點:(I)本發明採用的形狀記憶合金人工肌肉設計，利用其獨特的材質特性即受自身轉變溫度驅使所呈現出的雙程記憶效應來模擬鯊魚皮的微量泌液機制，其推注微量減阻劑的工作模式及控制方法較現有手段更為靈敏、可控、可靠，使用壽命得到有效保證；(2)本發明採用的壓縮彈簧型形狀記憶合金人工肌肉簧設計，在一定程度上較其他形狀更能消抵日常應用過程中外力對仿生鯊魚皮的觸碰和擠壓，從而起到有效的自我防護作用，具有較強的可操作性；(3)本發明提出的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，在結構和功能仿生方面為工程仿生技術特別是仿生減阻表皮製造技術的發展提供了有益範例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮外觀結構圖(拆去減阻劑橫向推注裝置)。
[0014]圖2為本發明的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮內部結構分層解剖圖(拆去減阻劑橫向推注裝置)。
[0015]圖3為本發明的人工肌肉伸縮單元結構示意圖。
[0016]圖4A為本發明的仿鯊魚鱗片表皮層俯視結構示意圖。
[0017]圖4B為本發明的仿鯊魚鱗片表皮層仰視結構示意圖。
[0018]圖5為本發明的人工肌肉伸縮單元與兩個硬化導電層的安裝示意圖。
[0019]圖6為本發明的支撐座結構示意圖。
[0020]圖7為本發明的減阻劑橫向推注裝置結構示意圖。
[0021]圖中:1、支撐座2、硬化導電層I 3、人工肌肉伸縮單元4、硬化導電層II
5、仿鯊魚鱗片表皮層6、形狀記憶合金人工肌肉簧7、連接導線8、牽拉頭9、兩段式電加熱棒10、仿鯊魚微鱗片11、牽拉孔12、表皮泌液微孔13、硬化導電層II輸液通孔14、硬化導電層I輸液通孔15、支撐座輸液通孔16、儲液罐17、水溶性減阻劑18、管路19、單向閥I 20、推注活塞21、推注缸進口 22、推注缸出口 23、推注缸24、單向閥II。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合附圖和具體實施例進一步闡述本發明。
[0023]參照圖1?圖6，利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，包括支撐座1、硬化導電層I 2、人工肌肉伸縮單元3、硬化導電層II 4、仿鯊魚鱗片表皮層5。所述支撐座I用於支撐並將仿生鯊魚皮安裝固定於載體外殼壁面，所述硬化導電層I 2的下表面與支撐座I上表面相固定，所述硬化導電層II 4的上表面與仿S魚鱗片表皮層5的下表面相膠合，硬化導電層I 2和硬化導電層II 4的厚度均為0.8 mm。若干數量的人工肌肉伸縮單元3呈陣列化豎直排布於硬化導電層I 2和硬化導電層II 4之間所夾的厚度為5.0mm的空間內，陣列化人工肌肉伸縮單元3之間的間距是20.0 _，所述人工肌肉伸縮單元3包括具有一定支撐強度的形狀記憶合金人工肌肉簧6、牽拉頭8、兩段式電加熱棒9和連接導線7，形狀記憶合金人工肌肉簧6的一端在保持與硬化導電層I 2絕緣的同時與支撐座I固定連接，另一端在與硬化導電層II 4絕緣的同時與牽拉頭8固定連接，藉由可伸縮連接導線7串聯起來的兩段式電加熱棒9中的一段與硬化導電層I 2做導電連接，另一段與硬化導電層II 4做導電連接，牽拉頭8的底面與硬化導電層II 4的上表面相膠合，牽拉頭8的其餘面與仿鯊魚鱗片表皮層5下表面所開設的若干牽拉孔11相對應固定連接。厚度為2.0 mm的仿鯊魚鱗片表皮層5的上表面製作有若干高逼真仿鯊魚微鱗片10，仿鯊魚鱗片表皮層5上開有一定數量、規則排列的通孔型表皮泌液微孔12，硬化導電層II 4上開有一定數量、規則排列且與表皮泌液微孔12對應連通的硬化導電層II輸液通孔13，硬化導電層I2上開有一定數量、規則排列的硬化導電層I輸液通孔14，支撐座I上開有一定數量、規則排列且與硬化導電層I輸液通孔14對應連通的支撐座輸液通孔15。
[0024]參照圖7，利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，還包括一減阻劑橫向推注裝置。所述減阻劑橫向推注裝置包括儲液罐16、水溶性減阻劑17、管路18、單向閥I 19、推注活塞20、推注缸進口 21、推注缸出口 22、推注缸23、單向閥II 24。儲液罐16用於存儲水溶性減阻劑17以作為推注用減阻劑的來源，水溶性減阻劑17的成分是質量百分比濃度為0.020%。的聚丙烯醯胺水溶液，一定數量的單向閥I 19固定於支撐座I下表面上，其來流端通過管路18連通儲液罐16，其去流端依次經由支撐座輸液通孔15和硬化導電層I輸液通孔14與推注缸進口 21連通，一定數量的推注缸23橫向固定於硬化導電層I 2的上表面，推注缸23的封閉空間內注滿水溶性減阻劑17，推注活塞20的一端處於推注缸23內且與推注缸23內壁保持滑動密封連接，其另一端與形狀記憶合金人工肌肉簧6的外圓柱面縱向中間部位固定連接，一定數量的單向閥II 24固定於硬化導電層II 4下表面上，其來流端與推注缸出口 22連通，其去流端依次經由硬化導電層II輸液通孔13和表皮泌液微孔12與仿鯊魚鱗片表皮層5外空間相連通。
[0025]製作形狀記憶合金人工肌肉簧6所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金，其轉變溫度為55°C。在製作形狀記憶合金人工肌肉簧6時，先在溫度高於55°C時加工成高度為2.5 mm的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於55°C時將其人為變形成高度為5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀。[0026]擬將該仿生鯊魚皮應用於常年在近海活動的某型摩託艇上(艇長3.2 m)，仿生鯊魚皮的鋪設長度為2.0 m。首先，按照該型摩託艇通常工作環境(海水水溫20°C，密度為
1.025X IO3 kg/m3、動力粘度為1.002X10_3 kg/m *s)下的設計最低巡航速度7 m/s計算該工況下仿生鯊魚皮的雷諾數:
【權利要求】
1.利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於，包括支撐座(1)、硬化導電層I (2)、人工肌肉伸縮單元(3)、硬化導電層II (4)、仿鯊魚鱗片表皮層(5)，所述支撐座(1)用於支撐並將仿生鯊魚皮安裝固定於載體外殼壁面，所述硬化導電層I (2)的下表面與支撐座(1)上表面相固定，所述硬化導電層II (4)的上表面與仿鯊魚鱗片表皮層(5)的下表面相膠合，若干數量的人工肌肉伸縮單元(3)呈陣列化豎直排布於硬化導電層I (2)和硬化導電層II (4)之間所夾的空間內，所述人工肌肉伸縮單元(3)包括具有一定支撐強度的形狀記憶合金人工肌肉簧(6)、牽拉頭(8)、兩段式電加熱棒(9)和連接導線(7)，形狀記憶合金人工肌肉簧(6)的一端在保持與硬化導電層I (2)絕緣的同時與支撐座(1)固定連接，另一端在與硬化導電層II (4)絕緣的同時與牽拉頭(8)固定連接，藉由可伸縮連接導線(7)串聯起來的兩段式電加熱棒(9)中的一段與硬化導電層I (2)做導電連接，另一段與硬化導電層II (4)做導電連接，牽拉頭(8)的底面與硬化導電層II (4)的上表面相膠合，牽拉頭(8)的其餘面與仿鯊魚鱗片表皮層(5)下表面所開設的若干牽拉孔(11)相對應固定連接，仿鯊魚鱗片表皮層(5)的上表面製作有若干高逼真仿鯊魚微鱗片(10)，仿鯊魚鱗片表皮層(5)上開有一定數量、規則排列的通孔型表皮泌液微孔(12)，硬化導電層II (4)上開有一定數量、規則排列且與表皮泌液微孔(12)對應連通的硬化導電層II輸液通孔(13)，硬化導電層I (2)上開有一定數量、規則排列的硬化導電層I輸液通孔(14)，支撐座(1)上開有一定數量、規則排列且與硬化導電層I輸液通孔(14)對應連通的支撐座輸液通孔(15);還包括一減阻劑橫向推注裝置，所述減阻劑橫向推注裝置包括儲液罐(16)、水溶性減阻劑(17)、管路(18)、單向閥I (19)、推注活塞(20)、推注缸進口(21)、推注缸出口(22)、推注缸(23)、單向閥II (24)，儲液罐(16)用於存儲水溶性減阻劑(17)以作為推注用減阻劑的來源，一定數量的單向閥I (19)固定於支撐座(1)下表面上，其來流端通過管路(18 )連通儲液 罐(16 )，其去流端依次經由支撐座輸液通孔(15 )和硬化導電層I輸液通孔(14)與推注缸進口(21)連通，一定數量的推注缸(23)橫向固定於硬化導電層I (2)的上表面，推注缸(23)的封閉空間內注滿水溶性減阻劑(17)，推注活塞(20)的一端處於推注缸(23)內且與推注缸(23)內壁保持滑動密封連接，其另一端與形狀記憶合金人工肌肉簧(6)的外圓柱面縱向中間部位固定連接，一定數量的單向閥II(24)固定於硬化導電層II(4)下表面上，其來流端與推注缸出口(22)連通，其去流端依次經由硬化導電層II輸液通孔(13)和表皮泌液微孔(12)與仿鯊魚鱗片表皮層(5)外空間相連通。
2.根據權利要求1所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於:硬化導電層I (2)和硬化導電層II (4)的厚度是0.5 mm~0.8 mm，自然狀態下硬化導電層I (2)和硬化導電層II (4)之間所夾空間的厚度是3.0 mm~5.0 mm，仿鯊魚鱗片表皮層(5)的厚度是1.5 mm~2.0 mm，陣列化排布的人工肌肉伸縮單元(3)之間的間距是15.0 mm~20.0 mm。
3.根據權利要求1所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於:所推注的水溶性減阻劑(17)的成分是聚丙烯醯胺水溶液，其質量百分比濃度為 0.020%。~0.130%0。
4.根據權利要求1所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於:製作形狀記憶合金人工肌肉簧(6)所用的形狀記憶合金是具有雙程記憶效應的鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅招系合金、銅鋅系合金，其轉變溫度範圍為55°C~85°C。
5.根據權利要求1所述的利用形狀記憶合金人工肌肉橫向推注減阻劑的仿生鯊魚皮，其特徵在於:製作形狀記憶合金人工肌肉簧(6)時，先在溫度高於其轉變溫度時加工成高度為1.5 mm~2.5 _的短粗型壓縮彈簧形狀，再在溫度低於轉變溫度時將其人為變形成高度為3.0 mm~5.0 mm的瘦長型壓縮彈簧形狀。
【文檔編號】B63B1/34GK103832540SQ201410107756
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】韓鑫, 陳亮亮, 靳印凱, 邱先慧 申請人:山東理工大學