Method Article

Modelowanie deformacji miękkich płetw trzepoczących przy użyciu planarnego obrazowania fluorescencyjnego indukowanego laserem

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 2022

 ,  ,  ,  , 
1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecny protokół obejmuje pomiar i charakterystykę deformacji kształtu 3D w podwodnych trzepoczących płetwach zbudowanych z materiałów polidimetylosiloksanu (PDMS). Dokładna rekonstrukcja tych deformacji jest niezbędna do zrozumienia wydajności napędowej podatnych płetw trzepoczących.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mechanizmy napędowe inspirowane płetwami różnych gatunków ryb są coraz częściej badane, biorąc pod uwagę ich potencjał do poprawy manewrowania i możliwości ukrywania się w systemach pojazdów bezzałogowych. Miękkie materiały stosowane w membranach tych mechanizmów żeberkowych okazały się skuteczne w zwiększaniu ciągu i wydajności w porównaniu z bardziej sztywnymi konstrukcjami, ale niezbędne jest dokładne mierzenie i modelowanie odkształceń w tych miękkich membranach. W niniejszym badaniu przedstawiono proces charakteryzowania zależnej od czasu deformacji kształtu elastycznych podwodnych płetw trzepoczących przy użyciu planarnej fluorescencji indukowanej laserem (PLIF). Pigmentowane membrany żeber z polidimetylosiloksanu o różnej sztywności (0,38 MPa i 0,82 MPa) są wytwarzane i montowane na zespole w celu uruchomienia w dwóch stopniach swobody: skoku i przechyłu. Obrazy PLIF są pozyskiwane w różnych płaszczyznach przęseł, przetwarzane w celu uzyskania profili deformacji żeber i łączone w celu rekonstrukcji zmiennych w czasie zdeformowanych kształtów żeber 3D. Dane są następnie wykorzystywane do zapewnienia wysokiej dokładności walidacji symulacji interakcji płyn-struktura i lepszego zrozumienia osiągów tych złożonych układów napędowych.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W naturze, wiele gatunków ryb ewoluowało, aby używać różnych ruchów ciała i płetw do poruszania się. Badania mające na celu zidentyfikowanie zasad poruszania się ryb pomogły w projektowaniu biologicznie inspirowanych systemów napędowych, ponieważ biolodzy i inżynierowie współpracowali nad opracowaniem zdolnych mechanizmów napędowych i kontrolnych nowej generacji dla pojazdów podwodnych. Różne grupy badawcze badały konfiguracje żeber, kształty, materiały, parametry skoku i techniki kontroli krzywizny powierzchni1,2,3,4,

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Produkcja płetw

  1. Zbuduj formę płetwy w oparciu o pożądany kształt.
    1. Zaprojektuj i zbuduj niestandardową, wydrukowaną w 3D, błyszczącą formę w kształcie płetwy (Rysunek 1). Zobacz pliki STL do wytwarzania formy w Dodatkowych plikach kodowania 1-4.
    2. Włóż elementy konstrukcyjne do formy, takie jak wydrukowany w 3D sztywny dźwigar krawędzi natarcia z tworzywa sztucznego. Zobacz plik STL dźwigara w Dodatkowym pliku kodowania 2.
  2. Wymieszać PDMS (patrz Tabela materiałów) w żądanym stosunku części.
    1. Wybierz sto....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Trapezoidalna sztuczna płetwa piersiowa inspirowana rybami została odlana z dwóch różnych materiałów (PDMS 10:1 i 20:1, oba zmieszane z barwnikiem fluorescencyjnym) z formy, każdy ze sztywnym drzewcem krawędzi natarcia włożonym w akord ćwiartki wiodącej (Rysunek 2 i Rysunek 3). Próba rozciągania dwóch materiałów żeber (Rysunek 3) dała moduły sprężystości wynoszące odpowiednio 0,38 MPa i 0,82 MPa dla żeber PDMS 20:1 i PDMS 10:1, przy R2 wynoszącym 0,99 dla.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Planarna fluorescencja indukowana laserem jest zwykle stosowana do wizualizacji przepływów wodnych poprzez zasiewanie płynu barwnikiem, który fluoryzuje po wystawieniu na działanie arkusza laserowego25,26. Jednak użycie PLIF do wizualizacji odkształceń w zgodnych materiałach nie zostało wcześniej zgłoszone, a to badanie opisuje podejście do uzyskiwania pomiarów historii czasu deformacji kształtu o wysokiej rozdzielczości w elastycznych żebrach litych za pomocą PL.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej za pośrednictwem podstawowego programu US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 i przeprowadzone podczas gdy Kaushik Sampath był pracownikiem Wydziału Akustyki w NRL, a Nicole Xu otrzymała nagrodę NRC Research Associateship w Laboratoriach Fizyki Obliczeniowej i Dynamiki Płynów w NRL. Autorzy dziękują dr. Rubenowi Hortensiusowi (TSI Inc.) za wsparcie techniczne i wskazówki.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
SterownikADMET ADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMikrokontroler do sprzętu płetwy
Generator opóźnienia nukleoniki BerkeleyNucleonics CorpModel 525Generator opóźnienia BNC i oprogramowanie
BobCat Cam ConfigImperxOprogramowanie ustawień kamery
CCDImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncKomercyjne oprogramowanie do dynamiki strukturalnej do modelowania interakcji płyn-struktura
D646WP ServoHitec36646S32-bitowe, cyfrowe, o wysokim momencie obrotowym, wodoodporne serwo do obrotu podziałki żeber
D840WP ServoHitec36840S32-bitowe, wielofunkcyjne, wodoodporne, stalowe serwo zębate do obrotu
skoku płetwyElektryczny różowy pigment fluorescencyjnySilc PigPMS812C
EverGreen (dwupulsacyjny system laserowy Nd:YAG 532 nm)QuantelEVG00070Głowica laserowa i zasilacz, przetwornik siły 70 mJ
ADMETSM-10-961Ogniwo obciążnikowe 10 lbf
przechwytywania kameryFrameLink ExpressImperx
fluorescencyjny LongpassEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksOprogramowanie do analizy obrazu
Planetarny mikser odśrodkowyTHINKY MIXERAR-100
Mieszanki kauczuku silikonowegoMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Drukarka 3DStratasys,
Uniwersalna maszyna wytrzymałościowaADMETeXpert 2611Model stołowy
Materiał drukarki 3DVeroBlackStratasys
Materiał drukarki 3DVeroGrayStratasys
Oprogramowanie do Filtr polyjet do budowy form do budowy form

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. Pi....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Flapping Fin ModelingSoft Robotic FinsPlanar Laser Induced FluorescenceFin Deformation ImagingFluid Structure InteractionFlexible Fin MembranesPDMS Fin MembranesFin Kinematics3D Shape ReconstructionUnderwater Propulsion

Related Articles