Modélisation de la déformation des ailettes molles à l’aide de l’imagerie par fluorescence induite par laser planaire

Summary

Le présent protocole implique la mesure et la caractérisation de la déformation de forme 3D dans les ailettes battantes sous-marines construites avec des matériaux polydiméthylsiloxane (PDMS). Une reconstruction précise de ces déformations est essentielle pour comprendre les performances propulsives des ailettes battantes conformes.

Abstract

Les mécanismes propulsifs inspirés des nageoires de diverses espèces de poissons ont été de plus en plus étudiés, compte tenu de leur potentiel d’amélioration des capacités de manœuvre et de furtivité dans les systèmes de véhicules sans pilote. Les matériaux mous utilisés dans les membranes de ces mécanismes d’ailettes se sont révélés efficaces pour augmenter la poussée et l’efficacité par rapport aux structures plus rigides, mais il est essentiel de mesurer et de modéliser avec précision les déformations de ces membranes molles. Cette étude présente un flux de travail pour caractériser la déformation de forme dépendante du temps des ailettes de battement sous-marines flexibles à l’aide de la fluorescence planaire induite par laser (PLIF). Des membranes pigmentées d’ailettes de polydiméthylsiloxane avec des rigidités variables (0,38 MPa et 0,82 MPa) sont fabriquées et montées sur un ensemble pour l’actionnement à deux degrés de liberté: tangage et roulis. Les images PLIF sont acquises sur une gamme de plans spanwise, traitées pour obtenir des profils de déformation des ailettes et combinées pour reconstruire des formes d’ailettes déformées 3D variant dans le temps. Les données sont ensuite utilisées pour fournir une validation haute fidélité pour les simulations d’interaction fluide-structure et améliorer la compréhension des performances de ces systèmes de propulsion complexes.

Introduction

Dans la nature, de nombreuses espèces de poissons ont évolué pour utiliser une variété de mouvements du corps et des nageoires pour atteindre la locomotion. La recherche visant à identifier les principes de la locomotion des poissons a contribué à la conception de systèmes de propulsion bioinspirés, car les biologistes et les ingénieurs ont travaillé ensemble pour développer des mécanismes de propulsion et de contrôle de nouvelle génération capables pour les véhicules sous-marins. Divers groupes de recherche ont étudié les configurations d’ailettes, les formes, les matériaux, les paramètres de course et les techniques de contrôle de la courbure de surface <....

Protocol

1. Fabrication des ailettes

1. Construisez un moule à ailettes basé sur la conception de forme souhaitée.
   1. Concevez et construisez un moule personnalisé en forme d’ailette en forme d’aileron imprimé en 3D (Figure 1). Voir fichiers STL pour la fabrication du moule dans les fichiers de codage supplémentaires 1-4.
   2. Insérez des éléments structurels dans le moule, tels qu’un longeron en plastique rigide imprimé en 3D. Voir le fichier STL du spar dans le fichier de codage supplémentaire 2.
2. Mélangez pdMS (voir tableau des matériaux)....

Results

Une nageoire pectorale artificielle inspirée du poisson trapézoïdal a été coulée dans deux matériaux différents (PDMS 10:1 et 20:1, tous deux mélangés à un colorant fluorescent) à partir d’un moule, chacun avec un longeron rigide de bord d’attaque inséré dans la corde du quart d’attaque (Figure 2 et Figure 3). Les essais de traction des deux matériaux d’ailettes (figure 3) ont donné des modules élastiques de 0,38 MPa et 0,82 MPa pou.......

Discussion

La fluorescence plane induite par laser est généralement utilisée pour visualiser les écoulements aqueux en ensemençant le fluide avec un colorant, qui fluoresce lorsqu’il est exposé à une feuille laser^25,26. Cependant, l’utilisation de PLIF pour visualiser les déformations dans les matériaux conformes n’a pas été rapportée auparavant, et cette étude décrit une approche pour obtenir des mesures d’historique temporel de la déformation de forme à haute résolution d.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Contrôleur	ADMET ADMET	MTESTQuattro
Axon II	Society of Robots		Microcontrôleur pour le matériel d’aileron
Berkeley Nucleonics Delay Generator Berkeley Nucleonics	Corp	Model 525	BNC delay generator and software
BobCat Cam Config	Imperx		Paramètres de la caméra logiciel
Caméra CCD	Imperx	B2340	4 mégapixels
COMSOL	COMSOL Inc		Logiciel commercial de dynamique structurelle pour la modélisation de l’interaction fluide-structure
D646WP Servo	Hitec	36646S	32 bits, numérique, à couple élevé, étanche pour la rotation du pas de l’aileron
D840WP Servo	Hitec	36840S	32 bits, polyvalent, étanche, servo à engrenages en acier pour la rotation
de la course de l’aileronPigment fluorescent rose électrique	Silc Pig	PMS812C
EverGreen (système laser Nd :YAG à double impulsion 532 nm)	Quantel	EVG00070	Tête laser et alimentation, 70 mJ
Transducteur de force	ADMET	SM-10-961	Cellule de charge 10 lbf
FrameLink Express	Imperx		Logiciel de capture de caméra
Filtre de fluorescence passe-bas	Edmund Optics		560 nm
MATLAB	MathWorks		Logiciel pour l’analyse d’images
Mélangeur centrifuge planétaire	THINKY MIXER	AR-100
Composés en caoutchouc de silicone	Momentive	RTV615	Clear PDMS
Stratasys J750	Imprimante 3D	Stratasys
Machine d’essai universelle	ADMET	eXpert 2611	Modèle de table
VeroBlack	Matériau de l’imprimante 3D	Stratasys
moules Matériau de l’imprimante 3D	VeroGray	Stratasys