[发明专利]一种仿鲨鱼皮减阻的表皮结构设计方法

说明书

本发明涉及一种仿鲨鱼皮减阻的表皮结构设计方法，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；本发明能够设计出高效减阻表面结构，达到较好的减阻效果。

技术领域

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。

发明内容

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。