Method Article

Моделирование деформации мягких плавников с использованием планарной лазерно-индуцированной флуоресцентной визуализации

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

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

Настоящий протокол включает измерение и характеристику деформации 3D-формы в подводных развевающихся плавниках, построенных из материалов полидиметилсилоксана (PDMS). Точная реконструкция этих деформаций имеет важное значение для понимания двигательных характеристик совместимых развевающихся ребер.

Abstract

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

Двигательные механизмы, вдохновленные плавниками различных видов рыб, все чаще исследуются, учитывая их потенциал для улучшения маневрирования и скрытности в системах беспилотных транспортных средств. Мягкие материалы, используемые в мембранах этих ребристых механизмов, доказали свою эффективность при увеличении тяги и эффективности по сравнению с более жесткими структурами, но важно точно измерять и моделировать деформации в этих мягких мембранах. В данном исследовании представлен рабочий процесс для характеристики зависящей от времени деформации формы гибких подводных плетеных плавников с использованием плоской лазерно-индуцированной флуоресценции (PLIF). Пигментированные полидиметилсилоксановые плавниковые мембраны с различной жесткостью (0,38 МПа и 0,82 МПа) изготавливаются и монтируются на узел для приведения в действие в двух степенях свободы: тангаже и крене. Изображения PLIF получаются в различных пролетных плоскостях, обрабатываются для получения профилей деформации плавников и объединяются для реконструкции изменяющихся во времени 3D-деформированных форм плавников. Затем данные используются для обеспечения высокоточной проверки для моделирования взаимодействия жидкости и структуры и улучшения понимания производительности этих сложных двигательных установок.

Introduction

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

В природе многие виды рыб эволюционировали, чтобы использовать различные движения тела и плавников для достижения передвижения. Исследования по выявлению принципов передвижения рыбы помогли привести к разработке биоинспирированных двигательных установок, поскольку биологи и инженеры работали вместе над разработкой способных двигательных и управляющих механизмов следующего поколения для подводных аппаратов. Различные исследовательские группы изучили конфигурации плавников, формы, материалы, параметры хода и методы контроля кривизны поверхности 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 <....

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

Protocol

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

1. Изготовление плавников

  1. Постройте форму для плавников на основе желаемой формы конструкции.
    1. Спроектируйте и постройте на заказ 3D-печатную глянцевую готовую форму в форме плавника (рисунок 1). См. файлы STL для изготовления пресс-формы в дополнительных файлах кодирования 1-4.
    2. Вставьте в форму структурные элементы, такие как 3D-печатный жесткий пластиковый передний лонжерон. См. STL-файл spar в дополнительном файле кодирования 2.
  2. Смешайте PDMS (см. Таблицу материалов) в требуемом соотношении деталей.
    1. Выберите со....

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

Results

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

Трапециевидный искусственный грудной плавник, вдохновленный рыбой, был отлит из двух разных материалов (PDMS 10: 1 и 20: 1, оба смешаны с флуоресцентным красителем) из формы, каждый с жестким передним лонжероном, вставленным в аккорд передней четверти (рисунок 2 и рисунок 3). Испытание на растяжение двух ребристых материалов (рисунок 3) дало модули упругости 0,38 МПа и 0,82 МПа для ребер PDMS 20:1 и PDMS 10:1, соответственно, с.......

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

Discussion

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

Планарная лазерно-индуцированная флуоресценция обычно используется для визуализации водных потоков путем засева жидкости красителем, который флуоресцирует при воздействии лазерного листа25,26. Однако об использовании PLIF для визуализации деформаций в совместимых материалах ранее не сообщалось, и в этом исследовании описывается подход к получению измерений истории времени деформации формы с высоким разрешением в гибких твердых ребрах с использованием PLIF. Сравне.......

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

Disclosures

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

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Это исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований через базовую программу 6.2 Военно-морской исследовательской лаборатории США (NRL) и выполнено, в то время как Каушик Сампат был сотрудником отдела акустики в NRL, а Николь Сюй получила награду NRC Research Associateship в лабораториях вычислительной физики и гидродинамики в NRL. Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Рубена Гортензиуса (TSI Inc.) за техническую поддержку и руководство.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ADMET контроллерADMET MTESTКuattro
Axon IISociety of RobotsМикроконтроллер для плавниковой аппаратуры
Berkeley Nucleonics Delay GeneratorBerkeley Nucleonics CorpModel 525BNC Генератор задержки и программное обеспечение
BobCat Cam ConfigImperxНастройка камеры программное обеспечение
CCD камераImperxB23404 мегапикселя
COMSOLCOMSOL IncКоммерческое программное обеспечение для структурной динамики для моделирования взаимодействия жидкости и конструкции
D646WP ServoHitec 36646S32-бит, цифровой, с высоким крутящим моментом, водонепроницаемый сервопривод для вращения плавника
D840WP ServoHitec36840S32-битный, многоцелевой, водонепроницаемый, стальной сервопривод для вращения
плавникаЭлектрический розовый флуоресцентный пигментSilc PigPMS812C
EverGreen (532 нм двойная импульсная лазерная система Nd:YAG)QuantelEVG00070Лазерная головка и источник питания, 70 мДж
Преобразователь силыADMETSM-10-96110 фунтов-сил Тензодатчик
FrameLink ExpressImperxПрограммное обеспечение для захвата камеры
Длинночастотный флуоресцентный фильтрEdmund Optics560 нм
MATLABMathWorksПрограммное обеспечение для анализа изображений
Планетарный центробежный смесительTHINKY MIXERAR-100
Силиконовые резиновые смесиMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D-принтер, полиструйный
Универсальная испытательная машинаADMETeXpert 2611Настольная модель
VeroBlackStratasys3D-принтер материал для создания пресс-форм
VeroGrayStratasys3D-принтер материал для изготовления пресс-форм

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