一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法，包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。本发明专利技术的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，采用锥状或柱状的硬质减阻元，不同于现有的肋条状沟槽结构；基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。

Underwater drag reduction surface imitating puffer fish skin appearance and manufacturing method thereof

The present invention discloses a kind of imitation puffer epidermis underwater drag reduction surface and a preparation method thereof, comprising a substrate, a hard drag element and flexible cover layer, the substrate is distributed with a plurality of hard drag element, a flexible covering layer filled in the hard straight cut resistance yuan, hard drag element and the substrate and with the reduction of hard surface tightly resistance element. The invention of the epidermal morphology of puffer fish imitation underwater drag reduction surface, hard with a conical or cylindrical damping element, different from the rib shaped groove of the existing structure; substrate covered with flexible layer, surface resistance reduction of rigid flexible coupling can be formed, with the surface flow velocity different form adaptive changes, more consistent with blowfish the performance of the skin.

【技术实现步骤摘要】
一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法
本专利技术涉及仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法，属于水下仿生减阻领域。
技术介绍
船舶、潜艇、鱼雷等水中航行器航行过程中存在压差阻力、表面摩擦阻力和兴波阻力，随着形体设计与优化的发展，压差阻力和兴波阻力控制技术日趋完善，表面摩擦阻力减小已成为解决水下航行器减阻增效增程问题的重要渠道，基于水生物种游动性能的仿生减阻技术是一种有效的技术手段。现有表面减阻技术以鲨鱼为仿生对象，包括仿鲨鱼盾鳞沟槽的肋条非光滑表面(ZL201410061037.5、ZL201110270722.5等)、仿鲨鱼表皮粘液的复合减阻表面(ZL201110261668.8、ZL201210120754.1等)及制作方法(ZL200810150487.6、申请号201510839579.5、申请号201610422330.9等)。以专利ZL201110261668.8为例，所述即时缓释减阻剂的高逼真仿鲨鱼减阻结构及其制作方法中，公开了其仿鲨鱼减阻结构，包括仿鲨鱼皮层、储液罐、液压泵、缓释电液控制系统等单元，其中上表面为仿鲨鱼鳞的蒙皮以及下表面挖有的凹槽，通过凹槽作为减阻剂的传送通道，上下表面通过通孔连接。通过仿鲨鱼鳞片沟槽形貌和仿鲨鱼高速运动下分泌减阻液耦合作用以实现减阻的功效，但是这种结构运用于实际中，存在一些问题：(1)这种在航行器表面设置仿鲨鱼蒙皮的结构，其内部又含有电路控制系统，其设计相对复杂，同时电路控制系统的布局、电子元件的连接以及在大尺寸的航行器上的使用都会受到制约；(2)要保证内部储液罐与外部通孔的通畅，实现的难度较大，不具有实际意义，一旦内外缓释电液的通道堵塞将会失去仿鲨鱼高速运动下分泌粘液减阻这一效果；(3)制作成本和运营成本较高，水下航行器无论尺寸大小若使用该种减阻方式都会在航行器表面布置大量的所述缓释电液控制系统中的电子元件，其制作安装成本和后期运营维护成本过高，一旦某一部件出现问题，整个系统将无法运营；(4)安装缓释电液控制系统虽然在原理上更加贴合于实际鲨鱼在高速运动中的减阻行为，但内部装有控制系统的表面势必会对上表面的仿鲨鱼鳞蒙皮结构实现减阻效果造成影响，反而制约了仿鲨鱼鳞非光滑结构的减阻作用。此外，还有仿贝壳表面的防污减阻协同表面(申请号201510095154.8)、人字形减阻表面(申请号201510031183.8)、成涡减阻外壳片(申请号201511036151.3)、刚柔相间的减阻降噪表面(ZL201310472654.X)等减阻表面及其制作方法。现有仿鲨鱼/贝壳的减阻表面均呈刚性肋条状，包括刚柔相间的减阻降噪表面，无论减阻表面工作与否，肋条及沟槽形状不变，结构单一，与鲨鱼等水生生物表皮脂肪层的弹性存在显著差异。此外，现有减阻表面制作方法多采用微细加工、喷涂、贴膜等工艺，舰船、潜艇、鱼雷等水下航行器外壁面大面积应用难度大，且减阻表面与航行器本体间易分离或脱落。总体而言，现有表面仿生减阻技术存在结构复杂、成本高、运营成本高、控制方式繁琐、结构设计复杂、实用性差等不足。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面及制作方法，基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。技术方案：为实现上述目的，本专利技术的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。作为优选，所述基底与硬质减阻元为一体的。作为优选，所述基底与柔性覆盖层为一体的。作为优选，所述硬质减阻元具有中轴，中轴沿来流方向倾斜，中轴与基底的夹角为10°-90°。作为优选，所述中轴与基底的夹角为30°-70°.作为优选，所述柔性覆盖层的厚度是硬质减阻元高度的0.1-2倍。作为优选，所述柔性覆盖层的厚度是硬质减阻元高度的0.4-0.8倍。作为优选，所述硬质减阻元为圆锥形减阻元、棱锥形减阻元或尖锥形减阻元。一种上述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面的制作方法，包括以下步骤：(一)硬质减阻元的加工及装配根据所加工减阻元尺寸和材料，选择不同的工艺：(1)对于微米或亚微米量级的硬质减阻元，可采用微铣削、微电铸、热压印、LIGA、激光熔覆等现有微加工工艺；(2)对于毫米或亚毫米量级的硬质减阻元，可采用仿形铣削、数控加工、精锻、铸造等常规机加工工艺；(3)对于毫米以上量级的硬质减阻元，可批量化生产减阻元个体，再通过螺纹连接、焊接等方式固定到基底上。尤其是，以水下航行器外壁面等大尺寸零部件为基底时，必须采用后两种制作方法。(二)柔性覆盖层的加工及装配根据减阻元尺寸和覆盖层厚度及物性，选择喷涂、贴膜、沉积、模具等加工工艺，并通过粘接、螺纹固定等方式进行装配。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)结构性能好。采用锥状或柱状的硬质减阻元，不同于现有的肋条状沟槽结构；基底覆盖有柔性层，形成刚柔耦合的减阻表面，可随着表面水流速度不同形成自适应变化，与河豚表皮性能更吻合。(2)制作工艺多样且可靠。根据硬质减阻元尺寸和结构，可采用微加工、常规机加工等多种制作工艺，尤其是采用成熟的现有机械加工工艺，简单可靠，成本低廉，适用范围广，可加工独立的减阻表面构件，或以减阻对象外壁面为基底制作减阻表面。(3)产业化应用前景广。硬质减阻元和柔性覆盖层的尺寸范围宽，适用于舰船、潜艇、鱼雷等各种不同速度、不同尺寸的水下航行器。附图说明图1为本专利技术一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面组成视图。图2为本专利技术所述硬质减阻元的典型结构示图。图3为本专利技术所述硬质减阻元矩形排列的减阻表面示意图。图4为本专利技术所述硬质减阻元菱形排列的减阻表面示意图。图5为本专利技术所述基底与硬质减阻元一体的减阻表面示意图。图6为本专利技术所述使用铸锻工艺加工出的硬质减阻元示意图。图7为本专利技术所述使用螺纹配合方式连接的硬质减阻元与基底示意图。图8为本专利技术所述使用喷涂工艺加工柔性覆盖层示意图。图9为本专利技术所述基底与柔性覆盖层一体的减阻表面示意图。图10为本专利技术所述使用铸锻工艺加工出的硬质减阻元示意图。图11为本专利技术所述使用倒置浇注的方式浇注柔性覆盖层和基底示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1、图5和图6所示，本专利技术所述一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面包括基底1、硬质减阻元2和柔性覆盖层3。所述基底1可以是独立的单元，如图1所示；可以与硬质减阻元2是一体的，如图5所示；也可以与柔性覆盖层3是一体的，如图6所示。所述基底1厚度d很小或与柔性覆盖层3一体时整体呈柔性，而厚度d很大或直接以航行器基体等大尺寸零部件为基底时就是刚性的。所述硬质减阻元2呈锥状或柱状，具有一定硬度、不易发生变形，高度Hy在微米至毫米尺度范围内变化，根据减阻对象尺寸和航行要求选择；硬质减阻元2与基底1固连且沿来流速度v方向倾斜，其轴线与柔性覆盖层3表面间夹角α介于10°-90°之间，根据航行器形状、工况、减阻要求等条件按照一定规律变化，优选范围为30°-70°。所述柔性覆盖层3包裹着硬质减阻元2与基底1紧密贴合，柔性覆盖层3厚度Hf保持均匀一致，是硬质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。

【技术特征摘要】
1.一种仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：包括基底、硬质减阻元和柔性覆盖层，所述基底上分布有若干个硬质减阻元，在硬直减阻元之间填充有柔性覆盖层，硬质减阻元与基底和硬质减阻元的结合面紧密贴合。2.根据权利要求1所述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：所述基底与硬质减阻元为一体的。3.根据权利要求1所述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：所述基底与柔性覆盖层为一体的。4.根据权利要求1所述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：所述硬质减阻元具有中轴，中轴沿来流方向倾斜，中轴与基底的夹角为10°-90°。5.根据权利要求4所述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：所述中轴与基底的夹角为30°-70°。6.根据权利要求1所述的仿河豚表皮形貌的水下减阻表面，其特征在于：所述柔性覆盖层的厚度是硬质减阻元高度的0.1-2倍。7.根据权利要求6所述的仿河豚表皮形貌的水...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏根，杨洋，田桂中，李磊，李纯金，李国超，刘金锋，景旭文，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32