一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮
技术领域
1.本发明涉及一种水下航行器蒙皮，尤其涉及一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮，能使水下航行器实现流体减阻和降噪功能。


背景技术：

2.随着科学技术的发展以及国家战略需求的日益增长，对水下航行器的快速性和隐蔽性都提出了更高的要求。因此，如何提高水下航行器的减阻降噪性能，成为了船舶机械设计制造领域的研究热点。
3.近年来，随着人类对大自然探索的不断深入，仿生表面减阻技术得到了快速的发展和广泛应用。其中，鲨鱼因其在水中游动的快速性和隐蔽性成为减阻仿生学中的重要研究对象。鲨鱼之所以具有快速灵活的游动特性，与其体表覆盖的盾鳞有很大的关联。这种盾鳞表面的沟槽结构能够改善湍流边界层的流体结构和流动状态，从而能有效减小水体阻力，获得极高的游速。因此，研究人员仿照鲨鱼盾鳞设计了沟槽减阻结构，并将其应用于飞机和舰船等设备表面的减阻降噪。鲨鱼能够快速灵活地游动，除了盾鳞本身的沟槽结构外，另一个原因是其体表盾鳞的覆瓦式排列。盾鳞按覆瓦式排列形成的半封闭空间能够喷射出流体减轻边界层中流体压力的失真程度，且能够容纳横向流动的流体以平衡因流体射出而形成的压力差，从而有利于减小流体阻力。
4.然而，现有的仿生盾鳞基本上是采用刻切加工的方式织构出鲨鱼盾鳞表面的沟槽结构，忽略了鲨鱼盾鳞多自由度运动形态和按覆瓦式排列形成的半封闭空间所产生的减阻效果，因此减阻能力远远达不到鲨鱼在自然环境中游动时的水平。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了用于减小水下航行器在航行过程中产生的流体阻力和噪声而提供一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮。
6.本发明的目的是这样实现的：包括微stewart盾鳞单元，微stewart盾鳞单元按照覆瓦式排列固定在水下航行器壳体上，每个微stewart盾鳞单元包括stewart平台、仿生盾鳞鳞片，stewart平台的下平台与水下航行器壳体上，仿生盾鳞鳞片设置在stewart平台的上平台上。
7.进一步地，所述仿生盾鳞鳞片是仿照鲨鱼表皮盾鳞表面的形貌，由有机高分子材料制成。
8.进一步地，stewart平台包括上平台、上连接铰链、弹性支腿、下连接铰链和下平台，所述上平台下端面绕其中心轴线均匀设置有3对上连接铰链，所述下平台上端面绕其中心轴线均匀设置有3对下连接铰链，所述每对上连接铰链的竖直投影均位于相邻两对所述下连接铰链之间，述弹性支腿的两端分别与相邻的所述上、下连接铰链固定。
9.进一步地，所述上平台、下平台和连接铰链由金属材料制成，所述弹性支腿由弹簧或具有弹性的有机高分子材料制成。
10.进一步地，所述上平台上端面具有倾斜角度。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
12.1.本发明中的仿生盾鳞鳞片能够对湍流相干结构产生控制作用，降低边界层内的湍流动量交换，从而减小水下航行器在航行过程中产生的流体阻力和噪声；
13.2.本发明中的微stewart盾鳞单元属于一种并联式六自由度机构，可以很好地模拟鲨鱼盾鳞的多维运动形态，且对振动弹性波具有强烈的衰减作用，进而能有效削弱湍流对其表面产生的激励和壳体振动，从而实现流体降噪功能。
14.3.本发明中的微stewart盾鳞单元按覆瓦式排列后形成的半封闭空间，能够喷射出流体减轻边界层中流体压力的失真程度，且能够容纳横向流动的流体以平衡因流体射出而形成的压力差，有利于减小流体阻力。
15.4.本发明中独特的周期结构及材料构成的声学特性能够很好地抑制水下航行器内外部噪声源的反射与透射，从而实现消音(声隐)功能。
16.5.本发明中微stewart盾鳞单元的刚度、阻尼和质量等参数可以根据实际使用环境进行制定，得到具有特定结构参数的蒙皮，对使用环境有着很好的适应性，从而可以更好地实现流体减阻和降噪功能。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是图1中的微stewart盾鳞单元示意图；
19.图3是本发明的减阻特性示意图；
20.图4是本发明的微stewart盾鳞单元减阻特性示意图；
21.图5是本发明的降噪特性示意图；
22.图6是本发明的微stewart盾鳞单元降噪特性示意图。
23.附图标号说明：1.微stewart盾鳞单元2.水下航行器壳体3.仿生盾鳞鳞片4.上平台5.上连接铰链6.弹性支腿7.下连接铰链8.下平台9.基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮10.湍流激励11.反向旋转涡对12.第二涡群13.速度梯度14.水动力噪声15.外部噪声(主动声纳)16.舱室内部噪声(机械设备噪声等)。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
25.本发明的技术方案为：一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮，包括多个微stewart盾鳞单元。所述多个微stewart盾鳞单元按照覆瓦式排列固定在水下航行器壳体上。所述微stewart盾鳞单元包括仿生盾鳞鳞片、上平台、上连接铰链、弹性支腿、下连接铰链和下平台。所述仿生盾鳞鳞片固定于上平台的上端面。所述上平台下端面绕其中心轴线均匀设置有3对上连接铰链。所述下平台上端面绕其中心轴线均匀设置有3对下连接铰链。所述每对上连接铰链的竖直投影均位于相邻两对所述下连接铰链之间。所述弹性支腿的两端分别与相邻的上、下连接铰链固定。所述仿生盾鳞鳞片是仿照鲨鱼表皮盾鳞的表面形貌得到的，由有机高分子材料制成，比如说由聚氨酯材料制成；所述上平台、下平台和连接铰链由金属材料制成，比如说由铝合金制成，所述弹性支腿由弹簧或具有弹性的有机高
分子材料制成，可以由橡胶材料制成；所述上平台和下平台为正圆角三棱柱，且上平台的上端面具有一定的倾斜角度；所述连接铰链和弹性支腿为圆柱体。
26.如图1所示，本发明所述的一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮，包括多个微stewart盾鳞单元1。将多个微stewart盾鳞单元1按照覆瓦式排列固定于水下航行器壳体2上构成具有减阻降噪功能的蒙皮。
27.结合图2，对微stewart盾鳞单元1进行详细说明：微stewart盾鳞单元1包括1个仿生盾鳞鳞片3、1个上平台4、3对上连接铰链5、6个弹性支腿6、3对下连接铰链7和1个下平台8。仿生盾鳞鳞片3是仿照鲨鱼表皮盾鳞的表面形貌，采用聚氨酯材料制备得到的，并通过强力胶固定于上平台4的上端面。值得注意的是，为保证仿生盾鳞鳞片3在按覆瓦式排列后最大限度地重构鲨鱼盾鳞覆瓦式结构，上平台4的上端面具有一定的倾斜角度。上平台4下端面的三个圆角部位处通过强力胶固定3对上连接铰链5，且每个上连接铰链5到上平台4中心轴线距离相等。下平台8上端面的三个圆角部位处通过强力胶固定3对下连接铰链7，且每个下连接铰链7到下平台8中心轴线距离相等。每对上连接铰链5的竖直投影均位于相邻两对下连接铰链7之间。弹性支腿6的两端分别与相邻的上连接铰链5和下连接铰链7通过强力胶固定连接，构成图2所示的微stewart盾鳞单元1。
28.结合图3和图4，对本发明的减阻特性进行说明：将基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮9固定在水下航行器壳体2的表面，当其受到湍流激励10的作用时，微stewart盾鳞单元1表面的沟槽结构与流体中的反向旋转涡对11相互作用产生第二涡群12，能够削弱反向旋转涡对11的强度，从而抑制湍流的猝发，削弱湍流边界层内的动量交换，进而降低了流体阻力。此外，微stewart盾鳞单元1按覆瓦式排列后形成的半封闭空间，能够喷射出流体减轻边界层中流体压力的失真程度，且能够容纳横向流动的流体以平衡因流体射出而形成的压力差，也有利于减小流体阻力。
29.结合图5和图6，对本发明的降噪特性进行说明：基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮9固定在水下航行器壳体2的表面。在水下航行器航行过程中，微stewart盾鳞单元1表面的沟槽结构能够有效降低湍流边界层的速度梯度13并阻碍横向流动的产生，从而降低整个边界层内的湍流动量交换，使边界层内流动稳定性增强，起到削弱水动力噪声14的作用。此外，利用蒙皮形成的独特周期结构及材料构成的声学特性，能够抑制外部噪声(主动声纳)15和舱室内部噪声(机械设备噪声等)16的反射和透射，从而达到消声、隔声的效果。
30.需要特别说明的是，本发明中微stewart盾鳞单元1的相关结构参数(刚度、阻尼和质量等)可以根据实际使用环境进行制定，得到具有特定结构参数的蒙皮，对使用环境有着很好的适应性，从而可以更好地实现流体减阻和降噪功能。
31.综上所述，本发明是对鲨鱼表皮盾鳞覆瓦式结构的仿生重构，可以重现鲨鱼盾鳞在流场中具有半封闭空间喷射流体、容纳横向流动的流体和可以多维运动的形态，从而对湍流激励和内外部噪声做出响应，起到减小水下航行器表面流体阻力和噪声的作用。
32.综上，本发明提供一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮，用于减小水下航行器在航行过程中产生的流体阻力和噪声。本发明是由多个微stewart盾鳞单元按覆瓦式排列构成的具有减阻降噪功能的蒙皮。其中，微stewart盾鳞单元包括仿生盾鳞鳞片、上平台、上连接铰链、弹性支腿、下连接铰链和下平台。仿生盾鳞鳞片固定于上平台的上
端面，弹性支腿通过上、下连接铰链分别与上、下平台固定。本发明能够很好地模拟鲨鱼盾鳞在流场中具有半封闭空间喷射流体、容纳横向流动的流体和可以多维运动的形态，从而有效减小流体阻力和水动力噪声。此外，本发明能够很好地抑制水下航行器内外部噪声的反射与透射，从而实现消音(声隐)功能。