基于平面激光诱导荧光成像的拍打软鳍变形建模

摘要

本方案涉及测量和表征用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料建造的水下拍打翅片中的3D形状变形。准确重建这些变形对于了解合规拍打翅片的推进性能至关重要。

摘要

受到各种鱼类鳍的启发的推进机制已被越来越多地研究，因为它们有可能提高无人车辆系统的机动和隐身能力。与更刚性结构相比，这些翅片机构膜中使用的软材料已被证明可以有效地增加推力和效率，但是准确测量和模拟这些软膜中的变形至关重要。本研究提出了一种工作流程，用于使用平面激光诱导荧光（PLIF）表征柔性水下拍打翅片的时间依赖性形状变形。制造具有不同刚度（0.38 MPa和0.82 MPa）的着色聚二甲基硅氧烷翅片膜并将其安装到组件上，以便在两个自由度（俯仰和滚动）中致动。在一系列翼展平面上采集PLIF图像，进行处理以获得翅片变形曲线，并组合以重建时变3D变形翅片形状。然后，这些数据用于为流固耦合仿真提供高保真度验证，并提高对这些复杂推进系统性能的理解。

引言

在自然界中，许多鱼类已经进化到使用各种身体和鳍的运动来实现运动。确定鱼类运动原理的研究有助于推动生物启发推进系统的设计，因为生物学家和工程师共同努力为水下航行器开发有能力的下一代推进和控制机制。各个研究小组研究了翅片配置，形状，材料，行程参数和表面曲率控制技术^1，2，^{3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}.表征尖端涡流产生和尾流倾角对于理解单鳍和多鳍系统中推力产生的重要性已在计算和实验^{13，14，15，}

方案

1. 翅片制造

1. 根据所需的形状设计构建翅片模具。
   1. 设计和构建一个定制的3D打印的翅片形状的光泽成品模具（图1）。请参阅 补充编码文件1-4中用于制造模具的STL文件。
   2. 将结构元素插入模具，例如3D打印的刚性塑料前缘翼梁。请参阅 补充编码文件 2 中 spar 的 STL 文件。
2. 以所需的零件比例混合PDMS（参见 材料表）。
   1. 选择基弹性体与固化剂的零件比例（即10∶1或20∶1），分别实现更高或更低的弹性模量。称取相应量的碱和固化剂。
      注:本研究均使用10:1和20:1（弹性体到固化剂）。
   2. 测量荧光颜料（参见 材料表），使得总混合物含有0.1%-1%重量的颜料，这取决于所需的色素沉着亮度。将颜料加入PDMS混合物中。
   3. 将测量量的弹性体，硬化剂和颜料倒入行星离心混合器中（以423× g 混合30秒，以465× g 脱气30秒）并相应地混合。
3. 将翅片浇入模具中。
   1. 脱气并将PDMS混合物倒入模具中，用于翅片。将模具置于70°C的烤箱中45分钟，并在....

结果

将梯形鱼的人造胸鳍用两种不同的材料（PDMS 10:1和20:1，均与荧光染料混合）从模具中铸造出来，每种材料都有一个刚性的前缘翼梁插入前四分之一弦（图2 和 图3）。两种翅片材料的拉伸测试（图3）分别产生PDMS 20:1和PDMS 10:1翅片的弹性模量（图3），两种测量的R² 分别为0.38 MPa和0.82 MPa（相应的应力 - 应变曲线见 补充图2 ）。

为了捕捉鳍片的运动，相机的放置使得聚焦视野中的微米与像素之比为125μm/像素。对延迟发生器进行布线和编程，以基于每个鳍片行程中点的单个触发信号，以每个鳍片行程30个等间距的时间间隔触发激光和相机。翅片的位置使得激光片穿过鳍片的弦向部分。这是在距翅片几何形状根部1.876 cm至13.132 cm的八个跨度位置完成的（图2）。<.......

讨论

平面激光诱导荧光通常用于通过用染料播种流体来可视化水流，当暴露于激光片^25，26时会发出荧光。然而，以前没有报道过使用PLIF来可视化合规材料中的变形，本研究描述了一种使用PLIF获得柔性实心翅片中高分辨率形状变形的时程测量的方法。将这些翅片测量值与 FSI 仿真进行比较，可以验证数值模型，并为使用计算结果进行翅片设计和控制提供进一步的信心。

在 PLIF 对合规材料的局限性中，变形表征包括由于结构中不透明元素（本研究中的前沿刚性梁）引起的闭塞。此外，PLIF技术还受到全内反射（TIR）的影响，当PDMS-水界面处的光的局部入射角超过相关的临界值时，就会发生这种情况。虽然铸造的PDMS翅片在光学上是透明的，但它们的折射率（1.49）比水（1.33）高得多，导致光学畸变和闭塞，临界角为63.5°。因此，当存在较大的变形时（例如，在本研究中，靠近翅片的末端），局部入射角可能超过63.5°。因此，入射激光束被反射回鳍片，导致捕获的图像上产生更大的"荧光区域"，这会影响从该.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ADMET 控制器	ADMET	MTESTQuattro
Axon II	机器人协会		用于鳍片硬件的微控制器
Berkeley Nucleonics Delay Generator	Berkeley Nucleonics Corp	Model 525	BNC 延迟发生器和软件
BobCat Cam Config	Imperx		相机设置软件
CCD 相机	Imperx	B2340	4 百万像素
COMSOL	Inc		流固耦合建模的商用结构动力学软件
D646WP 伺服器	Hitec	36646S	32 位，数字，高扭矩，防水 用于翅片间距旋转
D840WP 伺服器	Hitec	36840S	32 位，多用途，防水，钢齿轮伺服，用于翅片行程旋转
电粉荧光颜料	Silc Pig	PMS812C
EverGreen（532 nm 双脉冲 Nd：YAG 激光系统）	Quantel	EVG00070	激光头和电源，70 mJ
力传感器	ADMET	SM-10-961	10 lbf 称重传感器
FrameLink Express	Imperx		相机采集软件
长波通荧光滤光片	Edmund Optics		560 nm
MATLAB	MathWorks		图像分析软件
行星离心混合机	THINKY MIXER	AR-100
硅橡胶化合物	Momentive	RTV615	透明 PDMS
Stratasys J750	Stratasys		3D 打印机，Polyjet
通用试验机	ADMET	eXpert 2611	桌面模型
VeroBlack	Stratasys		3D 打印机材料
VeroGray	Stratasys		3D 打印机材料