大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
!鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
第19卷第21期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 212007年11月Journal of System Simulation Nov., 2007鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究胡海豹，宋保维，潘 光，毛昭勇，杜晓旭(西北工业大学航海学院, 西安 710072)摘 要：通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。
针对沟槽表面流场的特点，在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理，并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。
仿真结果表明，沟槽表面与顺流的“反向旋转涡对”相互作用，产生“二次涡”，削弱了“反向旋转涡对”的强度，进而抑制了低速条带的形成和发展，从而降低湍流猝发强度，实现湍流减阻。
关键词：沟槽表面；数值仿真；减阻；“二次涡”；“反向旋转涡对”中图分类号：O335.3 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 21-4901-03Simulation Studies on Drag Reduction Mechanism of Shark Riblets SurfaceHU Hai-bao, SONG Bao-wei, P AN Guang, MAO Zhao-yong, DU Xiao-xu(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: Through the numerical simulation investigation, the turbulent drag redaction mechanism above shark riblets surface was explored. In allusion to the characteristic of riblets surface, the computation region, grids and flow parameters were dealt with reasonably, and mechanic similarity principle was brought forwards into fluid field numerical simulation . The results of simulation show that a series of “second-vortex” are produced when streamwise “reverse-vortices” are effected by riblets. They weaken intensities of “reverse-vortices”, and restrain the productions and developments of low-flow strips, so turbulent drag reduction is obtained.Key words : riblets; numerical simulation; drag reduction; “second-vortex”; “reverse-vortices”引 言目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。
鲨鱼皮肤结构及其仿生材料的应用研究
鲨鱼皮肤结构及其仿生材料的应用研究鲨鱼皮肤是自然界中最引人注目的结构之一。
它的结构非常独特，具有良好的防护和减阻特性。
在过去的几十年里，研究人员一直在研究鲨鱼皮肤的结构，以期能够制造出类似的仿生材料。
这种材料有望被应用于飞行器、船舶、水下机器人、医疗设备等领域，提高其飞行和游动效率，以及防护能力。
鲨鱼皮肤的结构鲨鱼皮肤的表面被许多类似于牙齿的小结构覆盖，这些牙齿状的结构称为鳞片。
与其他鱼类的鳞片不同，鲨鱼鳞片的顶部是锥形的，向后倾斜。
当水流经过鳞片时，流线被分隔成多个小流线，从而减小了阻力，并使水流更加平滑地穿过鲨鱼身体。
而且，鲨鱼皮肤表面的小凸起还能增加摩擦力，使鲨鱼在游泳时更易于操控方向和速度。
除了鳞片外，鲨鱼皮肤中还有一种称为粒细胞的结构。
在皮肤里面，粒细胞和鲨鱼神经系统相连，能够探测外部的温度、压力和电场等物理量。
这些感觉器官能够帮助鲨鱼快速找到猎物，同时也能提醒鲨鱼身体周围的危险情况。
仿生材料的应用随着对鲨鱼皮肤结构研究的深入，科学家们逐渐认识到了其在仿生材料制造方面的潜力。
仿生材料是通过模仿生物的结构、物理或化学特性制造出来的一种材料。
仿生材料具有很多优点，如轻量、刚性、柔韧、防护和减阻等性能。
因此，它们在工业、医疗和航空航天等领域有广泛的应用。
目前，仿生材料的应用主要集中在飞行器和船舶领域。
由于鲨鱼皮肤的减阻和防护效果，仿生材料可以应用于翼型表面和船体表面，提高其飞行和游泳效率。
此外，仿生材料还可以被广泛应用于水下机器人、医疗设备等领域。
在水下机器人领域，仿生材料可以使机器人更好地适应水下环境，并提高其操作性和控制性。
在医疗设备领域，仿生材料可以用于制造血管支架、人工关节等医用材料，以及用于修复神经元和人体组织等方面。
总结鲨鱼皮肤结构以其独特的物理特性一直以来都受到科学家的关注。
它将我们的关注从传统的材料转移到了仿生材料，具有更好的应用前景。
通过研究鲨鱼皮肤的结构，人们可以制造出类似的仿生材料，以提高机器人、船舶、飞行器和医疗设备等产品的防护和减阻能力。
大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
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图 8 给出了光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮平板样 件在试验工况下的阻力曲线对比. 可以看出, 在 2.0~ 4.2 m/s 水速范围内测试板阻力有明显地减小. 图 9 给 出了仿鲨鱼减阻蒙皮在该工况下的减阻率曲线. 减
需要说明的是, 随着水速的变化, 仿鲨鱼减阻蒙 皮的减阻率出现一定程度的波动. 原因可能是: 在试 验过程中, 水流速度是由计算机自动测量的, 存在不 可消除的随机误差, 测得的水速为一定时间范围内 的平均值, 瞬时水速存在一定的波动, 虽然波动很小, 但对测得的阻力值也存在一定的影响, 而且这一影 响在减阻率的计算过程中还被放大; 测试板在较高 水速下存在非周期性的颤振, 虽然振动很小, 但对阻 力天平的测力也存在一定的影响.
鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoid scales) 所覆盖, 盾鳞表面有宽度约 50 µm 的顺流向沟槽, 其 结构如图 1 所示. 此外, 鲨鱼属软骨鱼类, 其盾鳞在种 类、质地、结构以及生长特性方面有别于硬骨鱼类[10,11]: 首先, 硬骨鱼类的鳞片属于骨鳞类型, 扁平且相对柔 软, 而盾鳞是软骨鱼类特有的鳞片类型, 盾鳞呈釉质, 质地非常坚硬(显微硬度 300~350 HV, 在古代被当作 砂纸使用), 由非光滑的鳞棘和深埋在真皮 的基板 构成, 二者构成坚固的悬臂梁结构; 其次, 盾鳞和牙 齿属同源器官(故又称“齿鳞”), 其生长成形过程不同 于骨鳞, 它不随鱼体生长而变大, 其结构只由鲨鱼种 类和生长部位决定, 同一条鲨鱼根据部位不同其沟槽 结构也不尽相同, 但同一部位上鳞片的沟槽结构基本 相同. 由此可见, 鲨鱼皮在预处理过程中能够承受一 定的力、热和化学过程, 而不致破坏其表面结构, 且 预处理后的鲨鱼皮生物模板在强度、硬度、耐热性等 方面能够满足后续生物复制成形工艺要求.
鲨鱼皮仿生减阻表面的制备方法
鲨鱼皮仿生减阻表面的制备方法制备鲨鱼皮仿生减阻表面的方法有多种，以下是其中一种制备方法：
1.准备材料：选用合适的基材，如金属、聚合物或陶瓷等。
根据基材的形状和尺寸，准备相应的模具。
2.模具制作：根据鲨鱼皮的结构，设计模具的形状和图案。
可以使用CAD软件进行设计，然后将设计好的图案输出到激光切割机或刻蚀机上，制作出模具。
3.涂覆材料：将基材放置在模具上，然后使用涂覆方法将模具上的图案转移到基材上。
常用的涂覆材料包括聚合物、金属或陶瓷等。
4.固化：根据所选涂覆材料的性质，选择适当的固化方式。
固化方式可以是热固化、光固化或电子束固化等。
5.脱模：在涂覆和固化完成后，将基材从模具上脱下来，得到具有鲨鱼皮仿生结构的表面。
6.后处理：根据需要，对制备好的表面进行后处理，如清洗、抛光或抗氧化处理等。
通过以上方法，可以制备出具有鲨鱼皮仿生结构的减阻表面。
这种表面的减阻性能取决于多个因素，包括基材的性质、涂覆材料的性质、模具的设计和制备工艺等。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的制备方法和工艺参数。
1。
鲨鱼皮的仿生原理
鲨鱼皮的仿生原理概述鲨鱼皮的仿生原理是指通过模仿鲨鱼皮表面的特殊结构和纳米级细节，将其应用于人造材料的设计中，以达到减阻、抗污、减噪和减摩等效果的技术。
鲨鱼皮的独特外观和功能使得仿生原理成为求解工程和科学问题的灵感来源。
鲨鱼皮的特殊结构鲨鱼皮独特的特殊结构是鲨鱼在长期进化过程中适应海洋环境而形成的。
其表面由许多小鳞片组成，这些鳞片呈V形排列，类似于一排瓦片。
鳞片上还有很多微小的凸起，形成了一系列细小的纳米级刺毛。
这种结构使得鲨鱼表面变得光滑，水流在鲨鱼身上顺畅流过，从而减少了水流的阻力。
仿生原理在人造材料中的应用1. 减阻鲨鱼皮的仿生原理可以应用于交通工具和建筑物表面的设计，减少空气或流体的阻力。
将鲨鱼皮的表面结构应用于飞机、汽车等交通工具的外壳，可以使空气更顺畅地流过，降低飞行阻力和空气阻力，提高运载效率和燃油利用率。
2. 抗污鲨鱼皮的仿生原理还可以应用于防污材料的设计。
仿鲨鱼皮的表面纳米级刺毛能有效减少污物的黏附，使其随水流被冲刷掉。
这种特性可以应用于建筑物外墙、玻璃窗等地方，减少污渍的附着和积累，保持建筑物的清洁。
3. 减噪鲨鱼皮的仿生原理在声学领域有着广泛的应用。
仿鲨鱼皮的材料可以有效阻隔声音的传播，降低噪音污染。
将仿生材料应用于室内隔音墙、隔音门等，可以提供一个更安静的环境，改善生活质量。
4. 减摩鲨鱼皮在水中具有出色的减摩特性。
仿鲨鱼皮的材料可以用于水泵、船舶等机械设备的摩擦减少。
将仿生原理应用于水动力学设计中，可以降低摩擦损失，提高机械设备的工作效率。
仿生原理的优势与挑战优势1.减阻：仿生材料能够降低阻力，提高空气或流体运动效率。
2.抗污：仿鲨鱼皮的表面结构具有自洁功能，减少了清洁维护的频率。
3.减噪：仿生原理在隔音领域有着广泛的应用，可以创造一个更安静的环境。
4.减摩：仿生材料能够降低机械设备的摩擦损失，提高工作效率。
挑战1.制造成本：制造仿生材料和结构需要专业技术和大量资金投入。
I09---赵丹阳
Drag reduction technology has become a new energy-saving technology, and it has become a hot topic in the drag-reduction field that imitating the micro-riblets of shark skin to reduce the drag. Due to the disadvantage of complex-structure, hard-replicate, low-precision and high-cost of shark skin, this paper firstly simplify the shark skin micro-riblets structure and optimize the cross-section dimensions, then manufacture the metal mold with shark-skin-inspired micro-riblets structure using the UV-LIGA technology, then design the roll forming experiments of PVC and PET material to emboss the shark-skin-inspired micro-riblets structure, finally analyze the products to study the effect of mold temperature, wheel speed and molding pressure.
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仿生表面减阻的研究现状与进展_马付良
在海洋经济建设和 海 洋 国 防 中 发 挥 着 重 要 作 用 。 海中航行 体 的 运 行 速 度 和 能 量 消 耗 率 是 评 价 其 性能的 重 要 指 标 ， 运行速度决定着航行体的性
；修 回 日 期 ： ；基 金 项 目 ： ＊ 国 家 自 然 科 学 基 金 （ ；浙 江 省 重 点 科 技 创 新 团 队 项 目 收稿日期 ： ２ ０ １ ５－１ ０－１ ２ ２ ０ １ ５－１ １－２ ０ ５ １ ３ ３ ５ ０ １ ０） （ ） ；宁波市创新团队项目 （ ） ２ ０ １ １ Ｒ ５ ０ ０ ０ ６ ２ ０ １ １ Ｂ ８ １ ０ ０ １ ，男 （ ，研究员 ，博士 ；研 究 方 向 ：海 洋 航 行 体 界 面 调 控 与 仿 生 减 阻 ； ：（ ： 通讯作者 ：曾志翔 （ 汉） １ ９ ８ ２－ ） Ｔ ｅ ｌ ０ ５ ７ ４） ８ ６ ６ ８ ５ ８ ０ ９； Ｅ －ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｅ ｎ ｚ ｈ ｘ＠ｎ ｉ ｍ ｔ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ｇ ；网络出版地址 ： ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版日期 ： ２ ０ １ ６－０ １－３ ０ １ ７∶０ ９ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ３ ９ ０ ５． ｔ ． ２ ０ １ ６ ０ １ ３ ０． １ ７ ０ ９． ０ ０ ４． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ｇ ］ （ ） ： 引文格式 ：马付良 ，曾志翔 ，高义民 ，等 ．仿生表面减阻的研究现状与进展 ［ Ｊ ．中国表面工程 ， ２ ０ １ ６， ２ ９ １ ７－１ ５．ＭＡ Ｆ Ｌ， Ｚ Ｅ ＮＧ Ｚ ［ ］ ， Ｘ，ＧＡＯ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｙ Ｍ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｊ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ２ ０ １ ６， ２ ９ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ （ ） ： １ ７－１ ５．
材料表面减阻的研究进展
材料表面减阻的研究进展摘要：随着各国商业贸易往来越加频繁，海上贸易便成了重要的一环，其中海上运输显得尤为重要，海上运输的优势便是大吨量运输及在价钱方面极具性价比。
同时，运输途中的能源消耗问题更是人们所不能忽略的，兼顾速度与载重问题，排除发动机动力问题，如何降低船只在海面行驶途中的阻力便是人们的下一个考虑方向，表面减阻于是变成了一个研究和发展的方向，本文主要通过研究仿生减阻在实际应用上的现状进而对其原理及进展和发展发现进行探讨和阐述。
关键词：仿生减阻；水黾；等离子体处理技术1引言从仿鲨鱼皮表面结构入手，次之辅以超疏水表面结构对表面减阻的作用，首先我们讲表面减阻应从表面三要素入手：表面化学成分、表面结构、表面粗糙度。
游速高达60Km/h的鲨鱼等水下低阻动物表皮为仿生减阻表面研究提供了丰富的构型资源。
鲨鱼表面主要是其表面盾鳞结构在表面结构方面，同时水黾表面的超疏水结构方向，回顾之前在仿生减阻方面的实际应用，总结了仿生表面减阻的研究现状及进展。
2表面减阻应用表面减阻应用于船体航海，需要克服：兴波阻力、涡流阻力、摩擦力。
目前有的方法有微气泡减阻法、柔性壁法、升温法、表面改性等[1]。
在减阻方面的研究倾向于光滑表面更有利于减阻效果，然而在对鲨鱼表面结构（如图1、2）的研究中发现，其表面并不是光滑的，而是由粗糙的类圆谷形状的盾鳞结构覆盖，沟槽方向与运动方向平行，盾鳞结构的沟槽可以一定程度的起到稳定表面层紊乱水流的作用，减小湍流的影响，起到减小阻力的作用。
沟槽间距很小，尽管鲨鱼体积庞大，细小的盾鳞结构其沟槽宽度远小于涡流宽度，从而在表面接触时可大幅度减小横向涡流的大小来降低涡流对其沟槽内壁对其产生的剪切压力。
图1 鲨鱼皮生物模板SEM图片图2 鲨鱼皮复刻模板SEM照片在2014年左右，哈佛大学实验室利用了新兴的3D打印技术对鲨鱼皮表面进行了更精确的复刻，不仅仅局限在微小盾鳞结构的精细复刻，更是利用3D技术将盾鳞结构在柔软表面进行了多种排列方式来测试减阻效果取得了一定成就[2]。
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本试验依据“空泡水筒模型测力试验规程” (SPR3-301-2001)进行. 测试板安装固定后, 先除气 1 h, 控制压力和速度恒定后再进行测试, 重复 3 次取值. 设定来流水速 v = 2~10 m/s, 调节间隔 0.4 m/s, 样品 中心线静压为 0.13 MPa, 水温 28℃, Re = 2×106. 为 扣除天平及连接板阻力, 将测试板拆除单测其阻力.
鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoid scales) 所覆盖, 盾鳞表面有宽度约 50 µm 的顺流向沟槽, 其 结构如图 1 所示. 此外, 鲨鱼属软骨鱼类, 其盾鳞在种 类、质地、结构以及生长特性方面有别于硬骨鱼类[10,11]: 首先, 硬骨鱼类的鳞片属于骨鳞类型, 扁平且相对柔 软, 而盾鳞是软骨鱼类特有的鳞片类型, 盾鳞呈釉质, 质地非常坚硬(显微硬度 300~350 HV, 在古代被当作 砂纸使用), 由非光滑的鳞棘和深埋在真皮 的基板 构成, 二者构成坚固的悬臂梁结构; 其次, 盾鳞和牙 齿属同源器官(故又称“齿鳞”), 其生长成形过程不同 于骨鳞, 它不随鱼体生长而变大, 其结构只由鲨鱼种 类和生长部位决定, 同一条鲨鱼根据部位不同其沟槽 结构也不尽相同, 但同一部位上鳞片的沟槽结构基本 相同. 由此可见, 鲨鱼皮在预处理过程中能够承受一 定的力、热和化学过程, 而不致破坏其表面结构, 且 预处理后的鲨鱼皮生物模板在强度、硬度、耐热性等 方面能够满足后续生物复制成形工艺要求.
关键词 鲨鱼皮 仿生减阻表面 生物复制成形 热压印
游速高达每小时 60 km 的鲨鱼、金枪鱼等水下低 阻动物表皮为仿生减阻表面研究提供了丰富的构形 资源, 人们已经通过对鲨鱼微鳞片进行抽象、放大和 简化仿形加工出了仿生鲨鱼皮[1~3], 实现了 7%左右的 减阻率. 尺度与形状是决定低阻动物表皮发挥减阻 机能的关键因素[4], 制造出与生物原型表皮形貌相逼 近的仿生减阻表面、实现减阻率 7%的突破仍是尚待 解决的难题[5,6]. 生物加工技术可以直接将复杂生物 形体引入功能形体制造, 能够突破现有加工手段在 工艺和效能上的瓶颈[7~9], 这使该问题的解决成为可 能. 本文借助生物复制成形工艺对鲨鱼皮外端形貌 进行大面积微复制, 为仿生减阻表面制造探索新的 途径.
图 3 为热压印法复制鲨鱼皮过程简图, 包括基板 加热、样本叠放与施压、弹性脱模、复型翻模四步. 在 自制真空热压机内, 以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平 板为基板, 将 150 mm×300 mm 鲨鱼皮(如图 4 所示) 鱼鳞面朝下平铺其上并用平板辅以充气垫压平; 真 空条件下升温到 PMMA 玻璃化温度(Tg)105℃并保持 恒定 10 min, 然后在平板上施加等静压并保持 30 min, 大小视鱼皮面积而定; 保压降温并在 70℃下脱模便 得到印有盾鳞阴模的复型模板, 如图 5 所示.
光滑蒙皮样件实测阻力 仿鲨鱼蒙皮样件实测
水速 v/m·s−1
值 F1/N
阻力值 F2/N
减阻率
样本 样本标准差 样本 样本标准差 DR/%
平均值 x
δˆ
平均值 x
δˆ
2.0
21.08
0.15
19.34
0.12
8.25
2.2
24.99
0.07
23.06
0.17
7.72
2.6
鲨鱼皮生物模板 SEM 照片
图 3 热压印法复制鲨鱼皮工艺简图
图 5 鲨鱼皮复型模板 SEM 照片 839
2008 年 4 月 第 53 卷 第 7 期
图 6 仿鲨鱼蒙皮整体及局部表面形貌光学照片
斜度及鳞片的固有弹性, 鳞片能够产生横向与纵向 的弹性弯曲变形从而实现弹性翻卷脱模.
2 水筒阻力试验
采用直接复制手段模拟生物表皮形貌, 可以最 大程度地保持生物原型的结构信息, 在结构和功能 效果上较现有手段更为直接、高效. 一方面, 从有鳞 动物表皮复制角度考虑, 生物复制成形工艺能够保 持生物鳞片结构的独立性、层次性及不连续性, 而现 有沟槽仿形加工技术几乎难以实现. 另一方面, 从生 物减阻微结构复制角度考虑. 研究发现, 锐利的鳞 棘、完美的圆谷状沟槽轮廓以及合理的沟槽宽度是影 响鲨鱼皮减阻机能的 3 个重要因素[14]. 由图 6 可以看 出, 生物复制成形工艺在上述外形貌结构要素的保 持方面较现有常规手段具有明显优势.
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图 8 给出了光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮平板样 件在试验工况下的阻力曲线对比. 可以看出, 在 2.0~ 4.2 m/s 水速范围内测试板阻力有明显地减小. 图 9 给 出了仿鲨鱼减阻蒙皮在该工况下的减阻率曲线. 减
2.2 样件制备与试验过程
可更换测试板用 LY12 铝合金制作, 前缘为半圆 柱形, 后端为长 125 mm 的尖劈型收尾, 其轮廓尺寸 为 900 mm×300 mm×30 mm. 测试板上端用固定孔并 通过连接板固定在阻力天平上, 保证更换测试板时 安装一致, 试验攻角为 0°.
分别以仿鲨鱼蒙皮和同材质光滑蒙皮作为待测 平 板 样 件 加 以 对 比 , 样 件 尺 寸 均 为 775 mm×300 mm×2.5 mm(长×宽×厚), 材质选用 RTV-II 硅橡胶. 由
1 材料和方法
1.1 试验材料
生物复制模板选用短尾真鲨(Carcharhinus brachyurous, 长 1.4 m, 北京海洋水产公司)鱼皮. 自然状 态下鲨鱼皮不能直接用作复制模板, 需对其进行预 处理: 将新鲜鲨鱼皮用蒸馏水洗净后放入 2.5%戊二 醛溶液中 4℃下固定 6 h; 取出后用磷酸缓冲液冲洗 再放入乙醇梯度溶液脱水; 最后在 60℃下烘干即可. 为防止其皱缩和翘曲, 固定、脱水以及干燥环节需用 平板将鱼皮压平.
图 1 鲨鱼皮盾鳞结构示意图
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论文
图 2 生物复制成形工艺制备仿鲨鱼减阻表面流程图
1.2 仿鲨鱼表面的大面积生物复制成形
图 2 为生物复制成形工艺制备大面积仿鲨鱼减 阻表面流程图, 其中在直接利用生物复制模板制备 复型模板环节采用热压印法. 本文所用热压印法与 传统热压印存在两点不同: (1) 传统热压印通常只针 对面型角为钝角的图形[12], 而鲨鱼鳞片属于斜楔形, 其背面面型与平面夹角为锐角, 这对热压印过程中 材料的流动性及脱模问题提出了新的要求; (2) 传统 热压印只针对刚性材料的小面积复制, 而鲨鱼皮为 半刚性生物材料(盾鳞呈刚性, 真皮组织呈柔性), 大 面积压印时的成形均匀度问题则显得尤为重要, 因 此需要生物模板具有较高的平面度以保证受力均匀.
论文
2008 年 第 53 卷 第 7 期: 838 ~ 842
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
韩鑫, 张德远, 李翔, 李元月
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100083 E-mail: hanxin_1979@
于复型模板在尺寸上完全受制于生物模板, 试验中 对于仿鲨鱼减阻蒙皮平板样件的制备采用模板一次 成形、蒙皮分块拼接方式进行, 蒙皮样件双面黏敷于 测试板两侧. 制样过程对拼接、黏贴质量要求严格, 必须保证黏结均匀、拼接光滑、无明显接缝和凸台, 同时注意鳞片方向与来流方向保持一致.
图 7 为水筒工作段测试板安装图, 黏敷待测蒙皮 的测试板置于工作段内并与测试仪器相连, 其中阻 力天平暴露在来流中部分采用导流罩减小附加阻力, 整个试验过程中天平和连接板不进行拆卸, 只更换 测试板部分.
图 8 平板样件在试验工况下的实测阻力曲线
图 9 仿鲨鱼蒙皮样件在试验工况下的减阻率曲线
阻率定义为 DR = (F1 − F2 ) / F1 × 100%, 其中 F1 和 F2 分别是光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮的实测阻力值. 可以看出, 在试验工况下, 仿鲨鱼减阻蒙皮的最大减 阻率可以达到 8.25%, 平均减阻率为 6.91%.
复型翻模采用预聚体真空浇铸法. 选用聚二甲基 硅氧烷(PDMS)预聚体作为浇铸材料, 将 Sylgard184 型 PDMS 预聚体及固化剂(Dow Corning Corp.)按质量 比 10:1 混合并脱气 10 min 后浇注于复型模板表面, 形成 1 mm 厚液层, 在 75℃下加热固化, 达到预定固 化时间后脱模便得到仿鲨鱼蒙皮, 其表面形貌如图 6 所示.
2.1 试验设备
仿鲨鱼减阻蒙皮平板样件阻力试验在中国船舶 科学研究中心(CSSRC)某空泡水筒实验室完成. 该水 筒筒体为封闭循环管道, 在叶轮泵驱动下水沿管道 循环流动, 并在工作段内形成稳定、水速和压力可调 的均匀流场. 其主要参数为:
(1) 工作段尺寸Φ 800 mm×2200 mm; (2) 工作段水速 0~20.0 m/s, 连续可调; (3) 工作段轴中心压力 8~400 kPa, 连续可调; (4) 空泡指数 K＝0.15. 空泡水筒的主要辅助装置有: 加压筒、除气塔、过 滤器及真空箱等, 分别用以调节水筒内水的压力、空 气含量及保持水质等. 所用测试仪器主要包括: (1) 阻力天平: 阻力传感器, 量程为 200 N, 载荷 分辨率为 0.1 N; (2) 桥 式 放 大 器 和 数 字 采 样 板 : 型 号 分 别 为 TEAC-SA55、NI-PCI4472, 其中数字采样板最高采样 频率 200 kHz; (3) IBM Piv 计算机.
此外, 在仿鲨鱼减阻表面的生物复制成形方面, 前期研究在用接触式轮廓仪分别对鲨鱼皮生物模板 和复型模板进行扫描成像的基础上, 对沟槽形状和 鳞片倾角的复制精度进行了分析. 结果表明, 鲨鱼皮 复型模板在沟槽宽度上比生物模板增大了 5.5%、在 鳞脊高度上减小了 5.9%; 在倾角变形量上较生物样 本减小了 27.5%. 从而证实了该技术在动物体表形貌 直接复制方面具有较好的综合复制效果[13].