Modellazione della deformazione delle alette morbide che utilizzano l'imaging a fluorescenza indotta da laser planare

Summary

Il presente protocollo prevede la misurazione e la caratterizzazione della deformazione della forma 3D in alette sbattute subacquee costruite con materiali polidimetilsilossano (PDMS). Una ricostruzione accurata di queste deformazioni è essenziale per comprendere le prestazioni propulsive delle pinne sbattute conformi.

Abstract

I meccanismi propulsivi ispirati alle pinne di varie specie ittiche sono stati sempre più studiati, dato il loro potenziale per migliorare le manovre e le capacità stealth nei sistemi di veicoli senza equipaggio. I materiali morbidi utilizzati nelle membrane di questi meccanismi a pinne si sono dimostrati efficaci nell'aumentare la spinta e l'efficienza rispetto a strutture più rigide, ma è essenziale misurare e modellare accuratamente le deformazioni in queste membrane morbide. Questo studio presenta un flusso di lavoro per caratterizzare la deformazione della forma dipendente dal tempo delle alette flessibili subacquee che sbattono utilizzando la fluorescenza planare indotta dal laser (PLIF). Le membrane alette di polidimetilsilossano pigmentate con rigidità variabile (0,38 MPa e 0,82 MPa) sono fabbricate e montate su un gruppo per l'attuazione in due gradi di libertà: beccheggio e rollio. Le immagini PLIF vengono acquisite su una gamma di piani spanwise, elaborate per ottenere profili di deformazione delle alette e combinate per ricostruire forme di alette deformate 3D variabili nel tempo. I dati vengono quindi utilizzati per fornire una convalida ad alta fedeltà per simulazioni di interazione fluido-struttura e migliorare la comprensione delle prestazioni di questi complessi sistemi di propulsione.

Introduction

In natura, molte specie di pesci si sono evolute per utilizzare una varietà di movimenti del corpo e delle pinne per ottenere la locomozione. La ricerca per identificare i principi della locomozione dei pesci ha contribuito a guidare la progettazione di sistemi di propulsione bioispirati, poiché biologi e ingegneri hanno lavorato insieme per sviluppare meccanismi di propulsione e controllo di prossima generazione per veicoli subacquei. Vari gruppi di ricerca hanno studiato configurazioni delle alette, forme, materiali, parametri di corsa e tecniche di controllo della curvatura superficiale ^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12....}

Protocol

1. Fabbricazione delle pinne

1. Costruisci uno stampo per alette in base al design della forma desiderato.
   1. Progetta e costruisci uno stampo personalizzato stampato in 3D con finitura lucida a forma di pinna (Figura 1). Vedere File STL per la fabbricazione dello stampo nei file di codifica supplementari 1-4.
   2. Inserisci elementi strutturali nello stampo, come un longherone in plastica rigida stampato in 3D. Vedere il file STL dello spar in Supplementary Coding File 2.
2. Mescolare PDMS (vedi Tabella dei materiali) nel rapporto di....

Results

Una pinna pettorale artificiale trapezoidale ispirata al pesce è stata fusa in due materiali diversi (PDMS 10: 1 e 20: 1, entrambi mescolati con colorante fluorescente) da uno stampo, ciascuno con un longherone rigido all'avanguardia inserito nell'accordo del quarto anteriore (Figura 2 e Figura 3). Le prove di trazione dei due materiali delle alette (Figura 3) hanno prodotto moduli elastici di 0,38 MPa e 0,82 MPa per le alette PDMS .......

Discussion

La fluorescenza planare indotta dal laser viene tipicamente utilizzata per visualizzare i flussi acquosi seminando il fluido con il colorante, che fluoresce quando esposto a un foglio laser^25,26. Tuttavia, l'uso di PLIF per visualizzare le deformazioni in materiali conformi non è stato precedentemente riportato e questo studio descrive un approccio per ottenere misurazioni della cronologia temporale della deformazione della forma ad alta risoluzione in alette sol.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Controllore ADMET		ADMET MTESTQuattro
Axon II	Society of Robots		Microcontrollore per l'hardware delle pinne
Berkeley Nucleonics Delay Generator	Berkeley Nucleonics Corp	Model 525	Generatore di ritardo BNC e software
BobCat Cam Config	Imperx		Software per le impostazioni della telecamera
CCD Imperx		B2340	4 MegaPixel
COMSOL COMSOL	Inc		Software commerciale di dinamica strutturale per la modellazione dell'interazione fluido-struttura
D646WP Servo	Hitec	36646S	32-Bit, digitale, coppia elevata, impermeabile Servo per la rotazione del passo delle alette
D840WP Servo	Hitec	36840S	32-Bit, multiuso, impermeabile, servo a ingranaggi in acciaio per la rotazione
della corsa delle alettePigmento fluorescente rosa elettrico	Silc Pig	PMS812C
EverGreen (sistema laser Nd:YAG a doppia pulsazione da 532 nm)	Quantel	EVG00070	Testa laser e alimentatore,
trasduttore di forza	ADMET	SM-10-961	Cella di carico da 10 lbf
FrameLink Express	Imperx		Software di acquisizione per fotocamera
fluorescenza passa-lungo	Edmund Optics		560 nm
MATLAB	MathWorks		Software per l'analisi delle immagini
Miscelatore centrifugo planetario	THINKY MIXER	AR-100
Composti di gomma siliconica	Momentive	RTV615	Clear PDMS
Stratasys J750	Stratasys		, polyjet
Macchina di prova universale	ADMET	eXpert 2611	Modello da tavolo
VeroBlack	Stratasys		Materiale per stampante 3D per costruire gli stampi
VeroGray	Stratasys		Materiale per stampante 3D per costruire gli stampi