一种仿鲨鱼皮减阻的表皮结构设计方法与流程

本发明属于仿生减阻技术领域，具体涉及一种仿鲨鱼皮减阻的表皮结构设计方法。

背景技术：

表面摩擦阻力一直是水下航行器的主要阻力形式。近年来，低阻流线型设计技术日趋成熟，兴波和压差阻力的降低已经逼近极限，很难仅依赖于流线型设计来实现阻力大幅度下降。仿生减阻表面为新型减阻技术提供了一种有效方法和途径。

水下仿生减阻是模拟水下游动鱼类的优异减阻体表结构，研究其高效减阻机理，设计出高效减阻表面结构并将其应用于舰船或水下航行器等表面，来实现提高航行速度和续航能力、降低能耗、加大武器弹药装载量，在海军、空军等各兵种中具有广阔的应用前景。

生物体表结构经数亿万年的自然选择，进化形成了许多特异结构和优异减阻功能，远优于人为设计，如鲨鱼皮减阻。仿生减阻结构设计制造尽可能地逼近生物体表原型是生物体表结构与功能同步转移的关键，也是高效仿生减阻表面仿生制造高度“形似”“神似”的有效途径。因此，针对以飞机、舰船等航行器的高效能、绿色环保等紧迫技术要求，揭示生物体表高效减阻机理，研究生物减阻体表结构“形神兼备”的大面积可控转移制造技术，为水下航行器的减阻表面提供一种崭新的功能结构表面制备工艺方法。

表面结构功能化实质是不改变产品整体结构设计的前提下，通过微结构薄膜来赋予表面新功能，实现性能的大幅提升，具有低成本、高效能的技术特点，已成为国际研究热点。

技术实现要素：

本发明提出一种仿鲨鱼皮减阻的表皮结构设计方法,能够设计出高效减阻表面结构，达到较好的减阻效果。

本发明设计方法，包括如下步骤：

第一步，流场匹配分析，对水下航行器的三维模型进行流场计算，根据所计算出的雷诺数来确定层流或紊流状态；

第二步，根据上述流场计算结果，计算确定构槽深度和宽度；

第三步，结构制作，采用微纳结构滚压工艺，通过单因素滚压实验，建立滚压工艺参数对滚压转移成形质量的相互影响关系，建立生物滚压转移成形工艺体系，并针对不同表面形式优化相关滚压转移成形结构及滚压工艺参数；

第四步，选择伸长率高、制品柔软，可弯曲的材料作为仿鲨鱼皮材料；

第五步，通过试验来验证仿鲨鱼皮减阻效果；所述试验包括水洞测力试验、水池拖曳试验和仿生游动试验。

可选地，所述雷诺数的计算公式为re＝vl/υ，其中l为外形长度，v为速度，υ为运动粘度；

所述流场计算采用计算流体力学方法，流场计算步骤包括：流场计算模型的建立、流场计算区域的离散化、湍流模型的选取、边界条件的确定以及初始条件的确定。

可选地，所述沟槽的深宽比h/s在0.3～0.1。

可选地，第三步中具体步骤为：

(1)在金属材料的基板2上加工出仿鲨鱼皮结构1阴模板；

(2)利用热压机3将基板2上的结构转移到热塑性基底4上；

(3)将制作好的具有鲨鱼皮阳模结构的薄膜粘接在设备表面。

可选地，步骤(3)中，在粘接过程中，采用强力胶作为粘接材料，采用704密封胶作为补缝材料。

可选地，仿鲨鱼皮材料采用软质聚氯乙烯。

可选地，第五步采用水池拖曳试验。

本发明与现在技术相比的有益效果：

(1)本发明针对传统减阻方法的局限，引入仿生表面结构可控移植技术，通过模拟鲨鱼的优异减阻体表结构，研究其高效减阻机理，设计出高效减阻表面结构，达到较好的减阻效果，可应用于舰船或水下航行器等表面，来实现提高航行速度和续航能力。

(2)本发明解决了仿鲨鱼皮构槽外形设计的计算难题，通过仿真工具可获得构槽的外形尺寸，依据真实的结构设计与制作，减阻能力可达10～15％。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明中不同形状的构槽示意图；

图3为本发明中鲨鱼皮模板制作示意图；

图4为本发明中鲨鱼皮模板转移示意图；

图5为本发明的减阻效果试验曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

本发明主要对鲨鱼进行结构表征，研究鲨鱼对流场的影响，从根本上揭示鲨鱼的减阻机理；直接以鲨鱼皮等水下低阻动物表皮为模版，通过生物复制成形技术可以高逼真、高效率、低成本的成形出高效能的仿鲨鱼沟槽减阻表面；对仿鲨鱼减阻表面实际减阻性能进行实验室评价，并借助仿鲨鱼沟槽减阻表面水洞测试结果对其准确性进行标定；提出复合减阻并进行相关试验研究，模仿鲨鱼体表粘液减阻机理，提出采用化学接枝亲水改性原理实现减阻高分子长链与基体间高结合力连接，以制备仿鲨鱼自润滑减阻表面的方法。

本发明的仿鲨鱼皮减阻结构设计方法流程图如图1所示，主要包括了流场匹配设计、尺寸参数计算、结构制作和材料选择等内容。通过以下步骤实现：

1、流场匹配分析

假定水下仿鱼外形长度约为4m，速度在1～3m/s，根据雷诺数的计算公式re＝vl/υ，可以计算出该航行器在海中的雷诺数：

remin＝vl/υ＝(1*4)/(1.006*10^-6)＝3.9*10^6

remax＝vl/υ＝(3*4)/(1.006*10^-6)＝1.1*10^7

re＝vl/υ＝(1.75*4)/(1.006*10^-6)＝5.2*10^6

采用计算流体力学软件对水下航行器的三维模型进行流场仿真，根据所计算出的雷诺数可以确定为紊流状态。根据仿真结果研究水下航行器的减阻机理，从而分析它的减阻效果优势(表面具有减阻结构的航行器的减阻效果通过实验测试确定)，具体主要包括：

(1)流场计算模型的建立；

(2)流场计算区域的离散化；

(3)湍流模型的选取；

(4)边界条件的确定；

(5)初始条件的确定。

2、尺寸参数计算

对于形状确定的直沟槽，图2(a)、(b)、(c)、(d)示出了4种形状，其减阻率dr主要由沟槽无量纲宽度s+决定，随s+的增长呈现先增后减的趋势。通常当s+约为5～28时dr>0，即沟槽有减阻效果；当s+约为10～25时dr>5％，即沟槽处于有效减阻状态；当s+约为15～18时dr接近最大减阻率drmax。

沟槽的s+是与沟槽几何参数以及应用环境参数相关的变量，计算方法：

式中，s为沟槽宽度，v为相对速度、υ为介质运动粘度，cf为摩阻系数，计算方法，f为物体的表面摩阻，a为物体沾湿面积，ρ为介质粘度。

为使直沟槽处于最佳减阻状态，取直沟槽的无量纲宽度s+＝18，则可以计算出此时的s＝267um。

直沟槽的形状是决定其固有减阻特征曲线的主要原因，虽然直沟槽的截面形状有很多种，减阻的规律却非常相似，都是主要由沟槽的深宽比h/s决定其固有减阻特征曲线，并且有如下规律：

随着沟槽深宽比h/s的增加，直沟槽的最大减阻率drmax先缓慢增加，当h/s达到某一值后再继续增加drmax会下降，但下降的幅度很小；直沟槽的减阻范围(即满足dr>0时s+的范围)随着h/s的增加先增大又减小。

当h/s太小时直沟槽的最大减阻率drmax过小，减阻效果很差；而当h/s太大时直沟槽的减阻范围又太窄，即使沟槽处于最佳减阻状态，若环境参数稍微变化沟槽的减阻率就会大幅度下降。综合最大减阻率和减阻范围两方面的内容，通常沟槽的深宽比h/s在0.3～0.1的范围内时直沟槽的固有减阻特性曲线处于较优状态。

h＝0.2*s＝0.2*267＝53.4um

3、结构制作

高效减阻性能是机器鱼表面功能的基本要求，针对复杂曲面能否实现生物体表结构的大面积转移成形是拓宽工业应用的关键。借助微纳结构滚压工艺，通过单因素滚压实验，建立滚压工艺参数(如滚压速度、滚轮柔度、滚轮表面结构质量等)、涂层(成分、预固化时间等)对滚压转移成形质量(逼真度、固化时间)的相互影响关系，建立生物滚压转移成形工艺体系，并针对不同表面形式优化相关滚压转移成形结构及滚压工艺参数。流程如下：

1)在金属材料的基板2上加工出仿鲨鱼皮结构1阴模板，如图3所示；

2)利用热压机3将基板2上的结构转移到热塑性基底4上，如图4所示；

3)将制作好的具有鲨鱼皮阳模结构的薄膜粘接在设备表面，在粘接过程中，采用强力胶作为粘接材料，采用704密封胶作为补缝材料。

4、材料选择

基板的高分子平板，其在热压过程中的材质特性(如热塑性、流动性、热膨胀系数等)对于微复制模板的成形精度起着至关重要的影响，而且其常温材质特性(如尺寸稳定性、耐磨性、韧性等)也影响其作为复型模板时的使用效果，因此基板材质的选择也是决定微压印鲨鱼皮及复型结果的重要环节。多数热塑性高分子材料都可以用作热压基板，但在成形精度、填充特性、脱模特性上存在差别，常见热塑性工程塑料有如下几种：聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、聚酰胺(pc)、聚碳酸酯(pc)等。

在以上材料中，软质聚氯乙烯(pvc)伸长率高、制品柔软，可弯曲贴附在滚筒上；材料耐腐蚀和抗老化性能良好，能够长期使用；同时材料也具备一定的强度和可加工性，可用车刀切削沟槽；并且该材料应用普遍，在材料获取方面方便、经济，因此，选取软质聚氯乙烯作为软板材料。

5、试验验证

仿鱼皮减阻效果一般通过试验来验证，包括水洞测力试验、水池拖曳试验和仿生游动试验。

仿鱼皮减阻水洞测力试验与常规水洞测力试验类似，试验模型通过天平和支杆与洞壁连接，设置所需要的水流速度，测量有无鱼皮试验模型的阻力系数，分析仿鱼皮对阻力的影响效果。其优点是测力数据准确，经费少；缺点是由于常规水洞直径的限制，模型缩比较小，对雷诺数的影响较大，从而会影响到仿鱼皮的特性；因此水洞测力试验适合开展平板外形等初期的研究。

仿鱼皮减阻水池拖曳试验与常规水池拖曳试验类似，试验模型通过测力天平和支杆与拖车连接，设置所需要的拖车速度，测量有无鱼皮试验模型的阻力系数，分析仿鱼皮对阻力的影响效果。其优点是测力数据准确，模型尺寸几乎不受限制，常规的仿生外形不需要考虑缩比，无需考虑雷诺数的影响。仿鱼皮减阻效果试验一般均在拖曳水池中完成。减阻效果见图5。

仿鱼皮减阻效果游动试验，一般是指水下仿生航行器在全状态游动时，搭载验证仿生鱼皮的减阻效果。其优点是可以验证实物状态的减阻效果；缺点是只能搭载，专门为仿鱼皮减阻而设计游动试验的经费花费太高，另外由于游动状态的航行器只有速度数据，没有受力的直接测量结果，无法直接体现减阻效果。无论试验地点是水池、湖上还是海上，游动环境的复杂性也将导致同一状态的重复性结果误差较大，将直接影响对鱼皮减阻效果的评估。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。