Den nåværende protokollen innebærer måling og karakterisering av 3D-formdeformasjon i undervanns flapping finner bygget med polydimetylsiloksan (PDMS) materialer. Nøyaktig rekonstruksjon av disse deformasjonene er avgjørende for å forstå fremdriftsytelsen til kompatible flapping finner.
Propulsive mekanismer inspirert av finnene til ulike fiskearter har blitt stadig mer undersøkt, gitt deres potensial for forbedret manøvrering og stealth evner i ubemannede kjøretøy systemer. Myke materialer som brukes i membranene til disse finmekanismene har vist seg effektive til å øke trykket og effektiviteten sammenlignet med stivere strukturer, men det er viktig å måle og modellere deformasjonene i disse myke membranene nøyaktig. Denne studien presenterer en arbeidsflyt for karakterisering av den tidsavhengige formdeformasjonen av fleksible undervanns flapping finner ved hjelp av planar laserindusert fluorescens (PLIF). Pigmenterte polydimetylsiloksanfinmembraner med varierende stivhet (0,38 MPa og 0,82 MPa) er fremstilt og montert på en montering for aktivering i to frihetsgrader: tonehøyde og rull. PLIF-bilder er anskaffet på tvers av en rekke spanwise-plan, behandlet for å oppnå findeformasjonsprofiler, og kombinert for å rekonstruere tidsvarierende 3D-deformerte finformer. Dataene brukes deretter til å gi høy kvalitet validering for fluid-struktur interaksjon simuleringer og forbedre forståelsen av ytelsen til disse komplekse fremdriftssystemer.
I naturen har mange fiskearter utviklet seg til å bruke en rekke kropps- og finbevegelser for å oppnå bevegelse. Forskning for å identifisere prinsippene for fiskelokalisering har bidratt til å drive utformingen av bioinspirerte fremdriftssystemer, ettersom biologer og ingeniører har jobbet sammen for å utvikle dyktige neste generasjons fremdrifts- og kontrollmekanismer for undervannsfarkoster. Ulike forskningsgrupper har studert finkonfigurasjoner, former, materialer, slagparametere og overflatekurvaturkontrollteknikker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Betydningen av å karakterisere tuppvirvelgenerering og våkne tilbøyelighet til å forstå trykkgenerering i en- og flerfinnesystemer er dokumentert i en rekke studier, både beregnings- og eksperimentelle 13,14,15,16,17,18. For finmekanismer laget av kompatible materialer, vist i ulike studier for å redusere våken helling og øke trykket17, er det også viktig å fange og nøyaktig modellere deres deformasjonstidshistorikk for å parre seg med strømningsstrukturanalysen. Disse resultatene kan deretter brukes til å validere beregningsmodeller, informere findesign og kontroll, og legge til rette for aktive forskningsområder i ustabil hydrodynamisk lasting på fleksible materialer, som trenger validering19. Studier har brukt direkte høyhastighets bildebasert formsporing i haifinner og andre komplekse objekter 20,21,22, men den komplekse 3D-finformen blokkerer ofte optisk tilgang, noe som gjør det vanskelig å måle. Dermed er det et presserende behov for en enkel og effektiv metode for å visualisere fleksibel finbevegelse.
Et materiale som er mye brukt i kompatible finmekanismer er polydimetylsiloksan (PDMS) på grunn av lave kostnader, brukervennlighet, evne til å variere stivhet og kompatibilitet med undervannsapplikasjoner23, som beskrevet grundig i en gjennomgang av Majidi et al.24. I tillegg til disse fordelene er PDMS også optisk gjennomsiktig, noe som bidrar til målinger ved hjelp av en optisk diagnostisk teknikk som planar laserindusert fluorescens (PLIF). Tradisjonelt innen eksperimentell fluidmekanikk25 har PLIF blitt brukt til å visualisere væskestrømmer ved å så væsken med fargestoff eller suspenderte partikler eller dra nytte av kvanteoverganger fra arter som allerede er i strømmen som fluoresce når de eksponeres for et laserark 26,27,28,29. Denne veletablerte teknikken har blitt brukt til å studere grunnleggende fluiddynamikk, forbrenning og havdynamikk 26,30,31,32,33.
I den nåværende studien brukes PLIF til å oppnå romlig løste målinger av formdeformasjon i fleksible fiskeinspirerte robotfinner. I stedet for å så væsken med fargestoff, visualiseres undervannskinematikken til en PDMS-fin ved ulike akkordvise tverrsnitt. Selv om planar laseravbildning kan utføres på vanlig støpt PDMS uten ekstra fluorescens, kan endring av PDMS for å forbedre fluorescens forbedre signal-til-støy-forholdet (SNR) til bildene ved å redusere effekten av bakgrunnselementer, for eksempel finmonteringsmaskinvaren. PDMS kan gjøres fluorescerende ved å bruke to metoder, enten ved fluorescerende partikkelsåing eller pigmentering. Det har blitt rapportert at førstnevnte for et gitt delforhold endrer stivheten til den resulterende støpte PDMS34. Derfor ble et ikke-giftig, kommersielt tilgjengelig pigment blandet med gjennomsiktig PDMS for å støpe fluorescerende finner for PLIF-forsøkene.
For å gi et eksempel på bruk av disse fin kinematikkmålingene for beregningsmodellvalidering, sammenlignes de eksperimentelle kinematikkene deretter med verdier fra finens koblede væskestrukturinteraksjonsmodeller (FSI). FSI-modellene som brukes i beregningene er basert på de første syv egenmodusene beregnet ved hjelp av de målte materialegenskapene til finnene. Vellykkede sammenligninger validerer finmodeller og gir tillit til å bruke beregningsresultatene for findesign og kontroll. Videre viser PLIF-resultatene at denne metoden kan brukes til å validere andre numeriske modeller i fremtidige studier. Tilleggsinformasjon om disse FSI-modellene finnes i tidligere arbeid35,36 og i grunnleggende tekster av beregningsvæskedynamikkmetoder37,38. Fremtidige studier kan også muliggjøre samtidige målinger av faste deformasjoner og væskestrømmer for forbedrede eksperimentelle studier av FSI i robotfinner, bioinspirerte myke roboter og andre applikasjoner. Videre, fordi PDMS og andre kompatible elastomerer er mye brukt på ulike felt, inkludert sensorer og medisinsk utstyr, kan visualisering av deformasjoner i fleksible faste stoffer ved hjelp av denne teknikken være til nytte for et større fellesskap av forskere innen ingeniørfag, fysikk, biologi og medisin.
Planar laserindusert fluorescens brukes vanligvis til å visualisere vandige strømmer ved å så væsken med fargestoff, som fluoresces når den utsettes for et laserark25,26. Imidlertid er det ikke tidligere rapportert å bruke PLIF til å visualisere deformasjoner i kompatible materialer, og denne studien beskriver en tilnærming for å oppnå tidshistorikkmålinger av høyoppløselig formdeformasjon i fleksible faste finner ved hjelp av PLIF. Sammenligning av…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet av Office of Naval Research gjennom et amerikansk marineforskningslaboratorium (NRL) 6.2 baseprogram og utført mens Kaushik Sampath var ansatt i Akustikkavdelingen ved NRL og Nicole Xu holdt en NRC Research Associateship award i Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics ved NRL. Forfatterne ønsker å anerkjenne Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) for teknisk støtte og veiledning.
ADMET controller | ADMET | MTESTQuattro | |
Axon II | Society of Robots | Microcontroller for the fin hardware | |
Berkeley Nucleonics Delay Generator | Berkeley Nucleonics Corp | Model 525 | BNC delay generator and software |
BobCat Cam Config | Imperx | Camera settings software | |
CCD camera | Imperx | B2340 | 4 MegaPixel |
COMSOL | COMSOL Inc | Commercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling | |
D646WP Servo | Hitec | 36646S | 32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation |
D840WP Servo | Hitec | 36840S | 32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation |
Electric Pink fluorescent pigment | Silc Pig | PMS812C | |
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system) | Quantel | EVG00070 | Laser head and power supply, 70 mJ |
Force transducer | ADMET | SM-10-961 | 10 lbf load cell |
FrameLink Express | Imperx | Camera capture software | |
Longpass fluorescence filter | Edmund Optics | 560 nm | |
MATLAB | MathWorks | Software for image analysis | |
Planetary centrifugal mixer | THINKY MIXER | AR-100 | |
Silicone rubber compounds | Momentive | RTV615 | Clear PDMS |
Stratasys J750 | Stratasys | 3D printer, polyjet | |
Universal testing machine | ADMET | eXpert 2611 | Table top model |
VeroBlack | Stratasys | 3D printer material to build the molds | |
VeroGray | Stratasys | 3D printer material to build the molds |