專利名稱：一種新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生領(lǐng)域，主要涉及利用復(fù)合材料的各向異性特點來涉及一種新型仿生魚尾，來模擬出金槍魚等魚類所能完成的復(fù)雜運動。
背景技術(shù)：
水下仿生技術(shù)是一種以仿生學(xué)為基礎(chǔ)并結(jié)合魚類長期進化所形成具有的高效運動模式的新技術(shù)，以此技術(shù)研制的水下航行器延續(xù)了早期的在海洋環(huán)境的信息監(jiān)測、水下輔助導(dǎo)航定位、海洋資源勘測等民用方面和在分布式戰(zhàn)術(shù)的監(jiān)測、水雷偵察和水下目標(biāo)的探測、跟蹤和定位等軍事方面的應(yīng)用。魚類推進模式的研究是新型仿生魚水下推進器的研究基礎(chǔ)。依據(jù)魚類推進模式不同，可分為身體/尾鰭模式和中央鰭/對鰭模式，前者是借助身體波動運動或尾鰭擺動運動產(chǎn)生大推進力，在高速巡游和啟動方面具有優(yōu)勢；后者是借助尾鰭以外的運動產(chǎn)生推進力，在機動性和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。為了實現(xiàn)仿生魚小型化和提高其靈活性，如NiTi形狀記憶合金驅(qū)動、超磁致伸縮薄膜、IPMC等智能材料被應(yīng)用于仿生魚的研究。但是這些結(jié)構(gòu)由于受到各種材料的限制，只能進行簡單彎曲來前進、上浮和下潛，無法模擬出金槍魚類所能完成的復(fù)雜動作。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等優(yōu)點。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，包括魚尾肌肉、基板和魚尾，所述魚尾肌肉由壓電材料模擬制成的壓電驅(qū)動層，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾部；所述魚尾由纖維增強復(fù)合材料制成，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾端。作為優(yōu)選，所述基板也采用纖維增強復(fù)合材料。作為優(yōu)選，所述纖維增強復(fù)合材料為碳纖維復(fù)合材料或玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料。作為優(yōu)選，所述壓電材料為粗壓電纖維復(fù)合材料(簡稱MFC)。作為優(yōu)選，所述樹脂薄膜采用聚氨酯薄膜。作為優(yōu)選，所述魚尾的材料為玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料；所述基板材料為碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料?；宀牧线x擇碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，主要在于壓電驅(qū)動層-粗壓電纖維復(fù)合材料(MFC)是在材料伸縮變形，而魚尾需要左右平動，為將MFC產(chǎn)生的力盡可能轉(zhuǎn)到推進力中，采用拉伸模量高阻止其伸縮變形的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料。而魚尾(尾巴)則不需要考慮伸縮變形，并且是由前部分帶動及水的作用而產(chǎn)生的運動，柔性材料更適合于這種結(jié)構(gòu)，因此不需要與基板一樣的材料，只需要彈性模量小，剛度低的玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料。作為優(yōu)選，所述壓電驅(qū)動層和基板中的纖維方向之間角度為0° 90°。壓電驅(qū)動層的壓電材料和基板材料都是纖維復(fù)合材料，其中纖維方向為復(fù)合材料的主方向，也是主要彈性模量方向，而各向同性材料每個方向彈性模量都一致。在鋪設(shè)壓電材料和基板材料的纖維方向一致時，相當(dāng)于壓電材料與各向同性材料鋪設(shè)一樣，只產(chǎn)生彎曲變形。于是壓電材料和極板材料的纖維方向具有一定角度鋪設(shè)時，從而可以實現(xiàn)各種復(fù)雜動作。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點能實現(xiàn)如金槍魚等采用尾鰭推動模式魚類的復(fù)雜動作，且具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、效率高等的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明所述仿生魚尾結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1的側(cè)視圖。其中，壓電驅(qū)動層1、基板2、魚尾3、樹脂薄膜4、夾具5。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1 2所示，現(xiàn)針對金槍魚新月尾形狀，具體說明本發(fā)明所述仿生魚尾結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。它包括基板、魚尾、魚尾肌肉和夾具，其中各部分采用的材料如下粗壓電復(fù)合材料(MFC)被用作壓電驅(qū)動材料模擬魚尾肌肉制成壓電驅(qū)動層，基板和魚尾的材料選用碳纖維環(huán)氧型增強復(fù)合材料，夾具則采用有機玻璃。并且，所述基板采用碳纖維環(huán)氧型復(fù)合材料各向異性，拉伸模量大、彎曲模量小，在壓電材料作用時能產(chǎn)生大變形，并且基板長度尺寸要大于壓電驅(qū)動層的尺寸；而所述魚尾采用玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料，其相對于基板的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，彈性模量更小、剛度更低、柔性更好，變形更大。

壓電驅(qū)動層通過高溫固化方法用聚氨酯薄膜粘結(jié)到基板2的靠近尾部處，而魚尾4也用同樣方法粘結(jié)到基板2的尾端上，然后用夾具5夾住基板前端，并用4個M5螺栓擰緊夾具。在裁剪纖維增強復(fù)合材料基板2時，根據(jù)設(shè)計需要，可以將裁剪方向與材料主方向成一定角度來剪出所需基板形狀，然后將壓電驅(qū)動層I按照魚尾形狀粘結(jié)到基板上，滿足上下兩層板主方向成一定角度的要求。本實施例中，裁剪基板時，裁剪方向與材料主方向(即纖維方向)成一定角度，例如45°時，當(dāng)提供高電壓(IOOOVp)低頻率(IOHz)時，魚尾會產(chǎn)生較大幅度的彎曲擺動以及扭曲擺動。
權(quán)利要求
1.一種新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于包括魚尾肌肉、基板和魚尾，所述魚尾肌肉由壓電材料模擬制成的壓電驅(qū)動層，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾部；所述魚尾由纖維增強復(fù)合材料制成，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述基板也采用纖維增強復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述纖維增強復(fù)合材料為碳纖維復(fù)合材料或玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述壓電材料為粗壓電纖維復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述樹脂薄膜采用聚氨酯薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述魚尾的材料為玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料；所述基板材料為碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，其特征在于所述壓電驅(qū)動層和基板中的纖維方向之間角度為0° 90°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型仿生魚尾結(jié)構(gòu)，包括魚尾肌肉、基板和魚尾，所述魚尾肌肉由壓電材料模擬制成的壓電驅(qū)動層，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾部；所述魚尾由纖維增強復(fù)合材料制成，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾端。本發(fā)明能實現(xiàn)如金槍魚等采用尾鰭推動模式魚類的復(fù)雜動作，且具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、效率高等的優(yōu)點。
文檔編號B63H1/36GK103043198SQ20121057896
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者李華峰, 官源林, 夏孝云, 狄思思 申請人:南京航空航天大學(xué)