본 프로토콜은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료로 제작된 수중 플랩핑 핀에서 3D 형상 변형의 측정 및 특성화를 포함합니다. 이러한 변형의 정확한 재구성은 준수 플랩핑 핀의 추진 성능을 이해하는 데 필수적입니다.
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방법 논문
평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링
* These authors contributed equally
이 논문에서
요약
초록
다양한 어종의 지느러미에서 영감을 얻은 추진 메커니즘은 무인 차량 시스템에서 향상된 기동 및 스텔스 기능에 대한 잠재력을 감안할 때 점점 더 연구되고 있습니다. 이러한 핀 메커니즘의 멤브레인에 사용되는 연질 재료는 더 단단한 구조에 비해 추력과 효율을 높이는 데 효과적임이 입증되었지만 이러한 연질 멤브레인의 변형을 정확하게 측정하고 모델링하는 것이 필수적입니다. 이 연구는 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)을 사용하여 유연한 수중 플랩 핀의 시간 의존적 인 형태 변형을 특성화하기위한 워크 플로우를 제시합니다. 다양한 강성 (0.38 MPa 및 0.82 MPa)을 가진 안료 폴리 디메틸 실록산 핀 멤브레인은 피치와 롤의 두 가지 자유도에서 작동을 위해 어셈블리에 제작되고 장착됩니다. PLIF 이미지는 다양한 스팬 평면에 걸쳐 수집되고, 핀 변형 프로파일을 얻기 위해 처리되며, 결합되어 시간이 변화하는 3D 변형된 핀 모양을 재구성합니다. 그런 다음 데이터는 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하고 이러한 복잡한 추진 시스템의 성능에 대한 이해를 향상시키는 데 사용됩니다.
서론
자연에서 많은 물고기 종은 다양한 몸과 지느러미 운동을 사용하여 운동을하기 위해 진화했습니다. 물고기 이동의 원리를 확인하기위한 연구는 생물 학자와 엔지니어가 수중 차량을위한 유능한 차세대 추진 및 제어 메커니즘을 개발하기 위해 함께 노력했기 때문에 생물 영감을받은 추진 시스템의 설계를 주도하는 데 도움이되었습니다. 다양한 연구 그룹은 핀 구성, 모양, 재료, 스트로크 매개 변수 및 표면 곡률 제어 기술 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12를 연구했습니다. . 단....
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프로토콜
1. 핀 제작
- 원하는 모양 디자인을 기반으로 핀 금형을 만듭니다.
- 지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 마감 몰드를 설계하고 제작합니다(그림 1). 보충 코딩 파일 1-4에서 금형을 제작하기 위한 STL 파일을 참조하십시오.
- 3D 프린팅된 경질 플라스틱 리딩 엣지 스파와 같은 구조 요소를 몰드에 삽입합니다. 보충 코딩 파일 2에서 스파의 STL 파일을 참조하십시오.
- PDMS ( 재료 표 참조)를 원하는 부품 비율로 혼합하십시오.
- 경화제에 대한 베이스 엘라스토머의 부분 비율(즉, 10:1 또는 20:1)을 선택하여 각각 더 높거나 낮은 탄성 모듈러스를 달성하십시오. 상응하는 양의 염기와 경화제를 계량하십시오.
주: 10:1 및 20:1 (경화제에 대한 엘라스토머) 둘 다 본 연구에 사용되었다. - 전체 혼합물이 원하는 색소 침착의 밝기에 따라 0.1 중량 % -1 중량 %의 안료를 함유하도록하는 형광 안료 ( 표 표 참조)를 측정하십시오. 안료를 PDMS 블렌드에....
- 경화제에 대한 베이스 엘라스토머의 부분 비율(즉, 10:1 또는 20:1)을 선택하여 각각 더 높거나 낮은 탄성 모듈러스를 달성하십시오. 상응하는 양의 염기와 경화제를 계량하십시오.
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결과
사다리꼴 물고기에서 영감을 얻은 인공 가슴 지느러미를 두 가지 다른 재료 (PDMS 10 : 1 및 20 : 1, 형광 염료와 혼합)로 주형에서 주조했으며, 각각 리드 쿼터 코드에 단단한 최첨단 스파가 삽입되었습니다 (그림 2 및 그림 3). 두 핀 재료의 인장 시험(그림 3)은 PDMS 20:1 및 PDMS 10:1 핀에 대해 각각 0.38MPa 및 0.82MPa의 탄성 모듈리를 산출했으며, 두 측정 모두R2가 0.99입니다(해당 응력-변형 곡선에 대한 보충 그림 2 참조).
핀의 움직임을 캡처하기 위해 초점을 맞춘 시야각의 마이크로미터 대 픽셀 비율이 125μm/픽셀이 되도록 카메라를 배치했습니다. 지연 발생기는 각 핀 스트로크의 중간 지점에서 단일 트리거 신호를 기반.......
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토론
평면 레이저-유도 형광은 전형적으로 유체를 염료로 시딩함으로써 수성 유동을 가시화하는데 사용되며, 이는 레이저 시트(25,26)에 노출될 때 형광을 발생시킨다. 그러나 PLIF를 사용하여 준수 재료의 변형을 시각화하는 것은 이전에 보고되지 않았으며, 이 연구는 PLIF를 사용하는 유연한 고체 핀에서 고해상도 형상 변형의 시간 이력 측정을 얻기 위한 접근법을 설명합니다. 이러한 핀 측정값을 FSI 시뮬레이션과 비교하면 수치 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 계산 결과를 사용할 때 더 많은 확신을 얻을 수 있습니다.
준수 재료에 대한 PLIF의 한계 중 변형 특성화에는 구조의 불투명 요소 (본 연구에서 최첨단 강성 스파)로 인한 폐색이 포함됩니다. 추가적으로, PLIF 기술은 PDMS-물 계면에서의 광의 국부적 입사각이 연관된 임계 값을 초과할 때 발생하는 총 내부 반.......
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공개 사항
저자는 공개 할 것이 없습니다.
감사의 글
이 연구는 미국 해군 연구소 (NRL) 6.2 기본 프로그램을 통해 해군 연구 사무소의 지원을 받았으며 Kaushik Sampath는 NRL의 음향 부서 직원이었고 Nicole Xu는 NRL의 전산 물리학 및 유체 역학 연구소에서 NRC Research Associateship Award를 수상했습니다. 저자는 Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.)에게 기술 지원 및 지침을 인정하고 싶습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| BobCat Cam Config | Imperx | 카메라 설정 소프트웨어 | |
| CCD 카메라 | Imperx | B2340 | 4 MegaPixel |
| COMSOL | COMSOL Inc | 유체 구조 상호 작용 모델링을 위한 상업용 구조 역학 소프트웨어 | |
| D646WP 서보 | Hitec | 36646S | 핀 피치 회전을 위한 32비트, 디지털, 높은 토크, 방수 서보 |
| D840WP 서보 | Hitec | 36840S | 32비트, 다목적, 방수, 핀 스트로크 회전 |
| 을 위한 스틸 기어 서보일렉트릭 핑크 형광 안료 | Silc Pig | PMS812C | |
| EverGreen (532 nm 듀얼 펄스 Nd:YAG 레이저 시스템) | Quantel | EVG00070 | 레이저 헤드 및 전원 공급 장치, 70 mJ |
| 포스 트랜스듀서 | ADMET | SM-10-961 | 10 lbf 로드셀 |
| FrameLink Express | Imperx | 카메라 캡처 소프트웨어 | |
| 롱패스 형광 필터 | Edmund Optics | 560nm | |
| MATLAB | MathWorks | 소프트웨어 | |
| 행성 원심 믹서 | THINKY MIXER | AR-100 | |
| 실리콘 고무 화합물 | Momentive | RTV615 | Clear |
| PDMS Stratasys J750 | Stratasys | 3D 프린터, 폴리젯 | |
| 만능 재료 시험기 | ADMET | eXpert 2611 | 탁상용 모델 |
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| VeroGray | Stratasys | 3D 프린터 재료 |
참고문헌
- Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
- Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. Pi....
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