Method Article

Düzlemsel Lazer Kaynaklı Floresan Görüntüleme Kullanarak Çırpıcı Yumuşak Yüzgeç Deformasyonu Modellemesi

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Mevcut protokol, polidimetilsiloksan (PDMS) malzemelerle inşa edilmiş su altı çırpma kanatçıklarında 3D şekil deformasyonunun ölçülmesini ve karakterizasyonunu içermektedir. Bu deformasyonların doğru bir şekilde yeniden yapılandırılması, uyumlu çırpma kanatçıklarının itici performansını anlamak için gereklidir.

Abstract

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

Çeşitli balık türlerinin yüzgeçlerinden esinlenen itici mekanizmalar, insansız araç sistemlerinde gelişmiş manevra ve gizlilik yetenekleri potansiyelleri göz önüne alındığında, giderek daha fazla araştırılmaktadır. Bu kanatçık mekanizmalarının membranlarında kullanılan yumuşak malzemelerin, daha sert yapılara kıyasla itme kuvvetini ve verimliliği arttırmada etkili olduğu kanıtlanmıştır, ancak bu yumuşak membranlardaki deformasyonları doğru bir şekilde ölçmek ve modellemek esastır. Bu çalışma, düzlemsel lazer kaynaklı floresan (PLIF) kullanarak esnek sualtı çırpma yüzgeçlerinin zamana bağlı şekil deformasyonunu karakterize etmek için bir iş akışı sunmaktadır. Farklı sertliklere (0.38 MPa ve 0.82 MPa) sahip pigmentli polidimetilsiloksan kanat membranları imal edilir ve iki serbestlik derecesinde harekete geçirilmek üzere bir montaja monte edilir: eğim ve rulo. PLIF görüntüleri bir dizi açıklık düzleminde elde edilir, yüzgeç deformasyon profilleri elde etmek için işlenir ve zamanla değişen 3D deforme olmuş yüzgeç şekillerini yeniden oluşturmak için birleştirilir. Veriler daha sonra akışkan-yapı etkileşim simülasyonları için yüksek doğrulukta doğrulama sağlamak ve bu karmaşık tahrik sistemlerinin performansının anlaşılmasını geliştirmek için kullanılır.

Introduction

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

Doğada, birçok balık türü, hareket elde etmek için çeşitli vücut ve yüzgeç hareketlerini kullanmak için evrimleşmiştir. Balık hareketliliğinin ilkelerini tanımlamak için yapılan araştırmalar, biyologlar ve mühendisler sualtı araçları için yetenekli yeni nesil tahrik ve kontrol mekanizmaları geliştirmek için birlikte çalıştıklarından, biyoesinlenmiş tahrik sistemlerinin tasarımına yardımcı olmuştur. Çeşitli araştırma grupları yüzgeç konfigürasyonlarını, şekillerini, malzemelerini, strok parametrelerini ve yüzey eğriliği kontrol tekniklerini incelemiştir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Tek ve çok kanatlı sistemlerde itme oluşumunu anlamak için uç vorteks üretimini ve uyanıklık eğimini karakterize etmenin önemi, hem hesaplamalı hem de deneysel13,14,15,16,17,18 olmak üzere çok sayıda çalışmada belgelenmiştir. Uyanıklık eğimini azaltmak ve itme kuvvetini artırmak için çeşitli çalışmalarda gösterilen uyumlu malzemelerden yapılmış kanat mekanizmaları için17, akış yapısı analizi ile eşleştirmek için deformasyon zaman-geçmişlerini yakalamak ve doğru bir şekilde modellemek de önemlidir. Bu sonuçlar daha sonra hesaplama modellerini doğrulamak, kanat tasarımını ve kontrolünü bilgilendirmek ve doğrulama gerektiren esnek malzemeler üzerinde dengesiz hidrodinamik yüklemede aktif araştırma alanlarını kolaylaştırmak için kullanılabilir19. Çalışmalar, köpekbalığı yüzgeçlerinde ve diğer karmaşık nesnelerde20,21,22 doğrudan yüksek hızlı görüntü tabanlı şekil izlemeyi kullanmıştır, ancak karmaşık 3D yüzgeç şekli genellikle optik erişimi engelleyerek ölçmeyi zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, esnek kanat hareketini görselleştirmek için basit ve etkili bir yönteme acil bir ihtiyaç vardır.

Uyumlu kanatçık mekanizmalarında yaygın olarak kullanılan bir malzeme, Majidi veark.24 tarafından yapılan bir derlemede kapsamlı bir şekilde açıklandığı gibi, düşük maliyeti, kullanım kolaylığı, sertliği değiştirme kabiliyeti ve su altı uygulamalarıyla uyumluluğu nedeniyle polidimetilsiloksan (PDMS) 'dir. Bu avantajlara ek olarak, PDMS ayrıca düzlemsel lazer kaynaklı floresan (PLIF) gibi optik bir teşhis tekniği kullanarak ölçümlere elverişli olan optik olarak şeffaftır. Geleneksel olarak deneysel akışkanlar mekaniği25 içinde, PLIF sıvıyı boya veya asılı parçacıklarla tohumlayarak veya bir lazer levhasına maruz kaldığında floresan olan akışta bulunan türlerden kuantum geçişlerinden yararlanarak sıvı akışlarını görselleştirmek için kullanılmıştır26,27,28,29. Bu köklü teknik, temel akışkanlar dinamiği, yanma ve okyanus dinamikleri 26,30,31,32,33'ü incelemek için kullanılmıştır.

Bu çalışmada, PLIF esnek balıktan ilham alan robotik yüzgeçlerde şekil deformasyonunun mekansal olarak geçici olarak çözülmüş ölçümlerini elde etmek için kullanılmıştır. Sıvıyı boya ile tohumlamak yerine, bir PDMS yüzgecinin sualtı kinematiği çeşitli akor kesitlerinde görselleştirilir. Düzlemsel lazer görüntüleme, ek floresan olmadan normal döküm PDMS'de gerçekleştirilebilse de, PDMS'yi floresanı artırmak için değiştirmek, yüzgeç montaj donanımı gibi arka plan öğelerinin etkilerini azaltarak görüntülerin sinyal-gürültü oranını (SNR) iyileştirebilir. PDMS, floresan parçacık tohumlaması veya pigmentasyon ile iki yöntem kullanılarak floresan yapılabilir. Belirli bir parça oranı için, birincisinin ortaya çıkan döküm PDMS34'ün sertliğini değiştirdiği bildirilmiştir. Bu nedenle, toksik olmayan, ticari olarak temin edilebilen bir pigment, PLIF deneyleri için floresan kanatçıkları dökmek üzere şeffaf PDMS ile karıştırıldı.

Hesaplamalı model doğrulaması için bu kanat kinematik ölçümlerinin kullanılmasına bir örnek vermek için, deneysel kinematikler daha sonra yüzgecin birleştirilmiş akışkan-yapı etkileşimi (FSI) modellerinden elde edilen değerlerle karşılaştırılır. Hesaplamalarda kullanılan FSI modelleri, kanatçıklar için ölçülen malzeme özellikleri kullanılarak hesaplanan ilk yedi özmoda dayanmaktadır. Başarılı karşılaştırmalar kanatçık modellerini doğrular ve kanatçık tasarımı ve kontrolü için hesaplama sonuçlarının kullanılmasında güven sağlar. Ayrıca, PLIF sonuçları, bu yöntemin gelecekteki çalışmalarda diğer sayısal modelleri doğrulamak için kullanılabileceğini göstermektedir. Bu FSI modelleri hakkında ek bilgi, önceki çalışma 35,36'da ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerinin temel metinleri 37,38'de bulunabilir. Gelecekteki çalışmalar ayrıca, robotik kanatçıklarda, biyo-esinlenmiş yumuşak robotlarda ve diğer uygulamalarda FSI'nın geliştirilmiş deneysel çalışmaları için katı deformasyonların ve sıvı akışlarının eşzamanlı ölçümlerine izin verebilir. Ayrıca, PDMS ve diğer uyumlu elastomerler, sensörler ve tıbbi cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanıldığından, bu tekniği kullanarak esnek katılardaki deformasyonları görselleştirmek, mühendislik, fizik, biyoloji ve tıp alanlarında daha geniş bir araştırmacı topluluğuna fayda sağlayabilir.

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

Protocol

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

1. Fin imalatı

  1. İstenilen şekil tasarımına dayalı bir kanat kalıbı oluşturun.
    1. Yüzgeç şeklinin özel bir 3D baskılı parlak kaplamalı kalıbını tasarlayın ve oluşturun (Şekil 1). Kalıbı imal etmek için Ek Kodlama Dosyaları 1-4'teki STL dosyalarına bakın.
    2. 3D baskılı sert plastik kenar spar gibi yapısal elemanları kalıba yerleştirin. Ek Kodlama Dosyası 2'deki spar'ın STL dosyasına bakın.
  2. PDMS'yi (bkz. Malzeme Tablosu) istenen parça oranında karıştırın.
    1. Sırasıyla daha yüksek veya daha düşük elastik modül elde etmek için baz elastomerin kürleme maddesine (yani, 10: 1 veya 20: 1) parça oranını seçin. İlgili baz ve sertleştirici miktarlarını tartın.
      NOT: Bu çalışmada hem 10:1 hem de 20:1 (elastomerden kürleme ajanına) kullanılmıştır.
    2. Floresan pigmenti ölçün ( Malzeme Tablosuna bakınız), pigmentasyonun istenen parlaklığına bağlı olarak, toplam karışım ağırlıkça% 0.1 -% 1 pigment içerecek şekilde. Pigmenti PDMS karışımına ekleyin.
    3. Ölçülen miktarlarda elastomer, sertleştirici ve pigmenti gezegensel bir santrifüjlü karıştırıcıya dökün (30 s için 423 x g'de karıştırma ve 30 s için 465 x g'da gaz giderme işlemi) ve buna göre karıştırın.
  3. Yüzgeci kalıba dökün.
    1. Gazdan arındırın ve PDMS karışımını yüzgeç için kalıba dökün. Kalıbı 45 dakika boyunca 70 ° C'de fırına yerleştirin ve gece boyunca 37 ° C'de sertleşmesine izin verin.
    2. Kürleme tamamlandıktan sonra, dökme yüzgeci kalıptan çıkarın (Şekil 2).
  4. ASTM standardı39'a uygun çekme testi yapın.
    1. Adım 1.3.'te dökülen her kanat için, daha önce açıklanan Adım 1.1.-1.3'ü kullanarak Tip IV şekilli bir kalıpta aynı PDMS ve pigment karışımını kullanarak bir Tip IV numune dökün.
      NOT: Ek Kodlama Dosyası 5'teki Tip IV örneğini ( Şekil 1C'de gösterilen kalıp) dökmek için STL dosyalarına bakın ve test edilen Tip IV örneklerinin örnekleri için Şekil 3'e bakın.
    2. Test numunesini çekme test makinesine sıkıştırın (bkz. Dar numune bölümünün başlangıç uzunluğunu, genişliğini ve kalınlığını (mm) ölçün.
    3. Test numunesini 5 mm'lik artışlarla gerilime maruz bırakın, numunenin aşırı gerilmemiş, sadece elastik bölgede gerilmiş kalmasını sağlayın. Toplam numune yer değiştirmesi 0 mm (orijinal konum) olana kadar gerilimi 5 mm'lik artışlarla azaltın. Her artışta dar bölümün uzunluklarını (mm) ve kuvvetlerini (N) kaydedin.
    4. Numunenin elastik modülünü hesaplamak için, gerilim-gerinim eğrisini çizin ve en iyi doğrusal uyumu ve R2 değerini belirleyin.

2. Deney düzeni ve denemeler

  1. PLIF donanımını (bkz. Malzeme Tablosu) dikdörtgen bir cam su deposuna (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m) monte edin.
    1. Şekil 4'te gösterildiği gibi, tankı orta düzleminde belirli bir frekansta (30 Hz) kesen düzlemsel bir ışık tabakası oluşturmak için darbeli bir lazer sistemi takın ve kullanın (Malzeme Tablosuna bakınız).
    2. Lens (35 mm) ve uzun geçişli floresan filtresi (560 nm) ile donatılmış 4 MP şarj bağlantılı cihaz (CCD) kamerayı takın ve kullanın (bkz.
    3. Lazer tabaka düzlemine yerleştirilmiş bir cetvelle CCD kameradan tek bir görüntü çekerek mikrometreden piksele dönüşümü kalibre edin (Şekil 5). Fotoğraf makinesinde iki konum seçin ve pikselleri ayırarak mesafeyi mikrometre cinsinden bölün. Bu mikrometre-piksel oranının uygulama için yeterince küçük (milimetre altı) olduğundan emin olun.
  2. Kanatçık yazılımından gelen tetik çıkışlarını ve bir gecikme üretecinden ve ilgili yazılımdan gelen sinyalleri kullanarak lazer darbelerini ve kamera görüntülerini çırpınan kanatçıkla senkronize edin (bkz. Malzeme Tablosu) kamerayı, lazer kafalarını ve yüzgeç hareketini koordine etmek için. Görmek Ek Şekil 1 gecikme oluşturucu yazılım arabirimi ayarlarına bir örnek için.
    1. Lazer sistemini ayarlayın.
      NOT: Tüm lazer güvenlik önlemlerinin kurumsal yönergelere uygun olduğundan emin olun.
      1. Lazer kafalarını soğutan soğutucuyu çalıştırmak için güç tuşunu sağa döndürerek lazer sistemini açın. Sistem lazerlere güç vermeye hazır olana kadar arıza ışığı yanıp söner. Tüm lazer modları doğru ayarlanana kadar lazerleri açan güç düğmesine basmayın.
      2. Tetikleyici Kaynağı'nı EXT LAMP/EXT Q-SW (harici lamba/harici Q-switch) olarak ayarlayın.
      3. Her iki lazer kafası için de lazer enerjisini istenen seviyeye ayarlayın (yani, tam gücün yaklaşık% 60-80'i) ve her Q-switch düğmesine basarak Q-switch'in açıldığından emin olun.
      4. Güç düğmesine basarak lazerleri açın.
        NOT: Tetik Kaynağı EXT LAMP/EXT Q-SW olarak ayarlandığından, lazer kafaları ateşlenmeye hazırdır, ancak yalnızca sistem yazılımdan harici bir tetikleyici aldıktan sonra ateşlenir.
    2. Fotoğraf makinesini ayarlayın.
      1. Güç kablolarını fotoğraf makinesine takın ve bilgisayara ve yazılıma doğru bağlantıları sağlayın.
      2. Kamera ayarları yazılımını açın ve uygun bağlantı noktasını seçin.
        1. Tetikleyici > Ayarları altında, "Trigger in:" öğesini External ve "Mode:" öğesini Hızlı olarak ayarlayın.
        2. Pozlama altında, " Pozlama Kontrolü"nü Kapalı olarak ayarlayın.
      3. Kamera yakalama yazılımını açın ve uygun kamera kartını seçin.
        1. Yakalama Sırası düğmesine tıklayın.
        2. Yakalama Ayarları düğmesine tıklayın, TIFF görüntülerini seçin, Kare serisini seçin ... ve istediğiniz dosya yolunu, 6 Basamaklı Sayıyı, Sürekli ve Kabul Et'i seçin.
        3. Yakalamayı Başlat'a tıklayın.
          NOT: Kamera ayarları harici bir tetikleyiciye ayarlandığından, kamera görüntü toplamaya hazırdır, ancak bu görüntüleri yalnızca sistem yazılımdan harici bir tetikleyici aldıktan sonra yakalar.
    3. Gecikme üretecini ayarlayın.
      1. Gecikme üretecini açın ve Harici Kapı Kanalını kanat tetiğine, A-D'yi lazere (A: lazer kafası 1, B: Q anahtarı lazer 1'e, C: lazer kafası 2'ye ve D: Q anahtarını lazer 2'ye) ve Kanal E'yi kameraya bağlayın.
      2. Gecikme jeneratörü yazılımını açın.
      3. Seri Çekim için "Darbe Modu" nu ve 4 ns'ye "Sistem Çözünürlüğü" nü seçin.
      4. "Dönem(ler)" değerini 0,033333352 olarak ayarlayın.
      5. "Harici tetikleyici/Kapı modu"nu tetiklendi, "Eşik (V)" değerini 0,20 ve "Tetikleyici kenarı"nı yükselen olarak ayarlayın.
      6. Kanallar > Ch A'da, Etkin onay kutusunu tıklatın. "Gecikme(ler)i" değerini 0,000000004, "Genişlik(ler)i 0,0050000000, "Genlik (V)" değerini 5,00, "Kanal Modu"nu Görev Döngüsü, "Bekleme Sayısı"nı 0, "Kaynağı Eşitle"yi T0, "Polarite"yi Normal, "Çoklayıcı"yı A, "Görev Döngüsü Açık" seçeneğini 1, "Görev Döngüsü Kapalı" ifadesini 1 ve "Kapı Modu" ayarını Devre Dışı olarak ayarlayın.
      7. Kanallar > Ch B'de, Etkin onay kutusunu tıklatın. "Gecikme(ler)i" değerini 0,000138000, "Genişlik(ler)i 0,0050000000, "Genlik (V)" değerini 5,00, "Kanal Modu"nu Görev Döngüsü, "Bekleme Sayısı"nı 0, "Kaynağı Eşitle"yi Ch A, "Polarite"yi normal, "Çoklayıcı"yı B, "Görev Döngüsü Açık" seçeneğini 1, "Görev Döngüsü Kapalı" ifadesini 1 ve "Kapı Modu" nu Devre Dışı olarak ayarlayın.
      8. Kanallar > Ch C'de, Etkin onay kutusunu tıklatın. "Gecikme(ler)i" değerini 0,033333304, "Genişlik(ler)i 0,0050000000, "Genlik (V)" değerini 5,00, "Kanal Modu"nu Görev Döngüsü, "Bekleme Sayısı"nı 0, "Kaynağı Senkronize Et"i Ch A, "Polarite"yi Normal, "Çoklayıcı"yı C, "Görev Döngüsü Açık" seçeneğini 1, "Görev Döngüsü Kapalı" ifadesini 1 ve "Kapı Modu" ayarını Devre Dışı olarak ayarlayın.
      9. Kanallar > Ch D'de, Etkin onay kutusunu tıklatın. "Gecikme(ler)i" değerini 0,000138000, "Genişlik(ler)i 0,005000000, "Genlik (V)" değerini 5,00, "Kanal Modu"nu Görev Döngüsü, "Bekleme Sayısı" 0, "Kaynağı Eşitle" yi Ch C, "Polarite"yi Normal, "Çoklayıcı" yı D, "Görev Döngüsü Açık" ifadesini 1, "Görev Döngüsü Kapalı" ifadesini 1 ve "Kapı Modu" nu Devre Dışı olarak ayarlayın.
      10. Kanallar > Ch E'de, Etkin onay kutusunu tıklatın. "Gecikme(ler)i" değerini 0,000000004, "Genişlik(ler)i" değerini 0,005000000, "Genlik (V)" değerini 5,00, "Kanal Modu"nu normal, "Bekleme Sayısı" nı 0, "Kaynağı Eşitle" T0, "Polarite"yi normal, "Çoklayıcı"yı E'ye ve "Kapı Modu"nu Devre Dışı olarak ayarlayın.
  3. Yüzgeci, lazer tabakası seçilen bir açıklık pozisyonunda yüzgecin bir akor bölümünden geçecek şekilde hizalayın ve kanat platformunu montaj donanımıyla sabitleyin.
  4. Seçilen kinematiklerle kanat çırpmaya başlamak ve tüm ortam ışıklarını kapatmak için gücü kanat kontrol donanımına ve kanat motorlarına bağlayın ( bkz.
  5. Senkronize deneylere başlamak ve strok döngüsü boyunca lazer levhanın yüzgeç ile kesişme noktasının görüntülerini elde etmek için gecikme jeneratörü yazılımında Çalıştır'a basın. Bunun 200'den fazla strok döngüsü üzerinden yapılması gerekir.
  6. Gecikme jeneratörü yazılımında Durdur'a basın ve fini güç kaynağından ayırın.
  7. Yüzgeç platformunu hareket ettirin, böylece lazer sayfası yeni bir açıklık pozisyonunda geçer ve görüntüleri tekrar elde etmek için deneyler yapın. 2.3.-2.6 numaralı adımları yineleyin. İstenilen ölçümlerin sayısı için ( Şekil 2A'daki siyah kesikli çizgilerle gösterildiği gibi sekiz farklı açıklık konumu).
  8. Yüzgeci istenen ek kanatçık membranlarıyla değiştirin (iki kanat sertliği, PDMS 10: 1 ve PDMS 20: 1) ve deneyleri tekrarlayın.

3. Görüntü analizi

  1. Adım 2.4.'te yürütülen her deneysel deneme için, görüntülerin depolandığı dosyayı bulun ve kontur döngüsü boyunca her yüzgeç konumu veya aşaması için bir alt klasör oluşturun. Görüntü dosyalarını karşılık gelen alt klasörlerine göre sıralayın.
  2. Her yüzgeç fazı alt klasörü için 200'den fazla görüntüyü piksel değeri dizileri (imread.m) olarak okuyun. Tüm görüntüler için piksel değeri dizilerini toplayın ve ortalama bir görüntü oluşturmak için görüntü sayısına bölün. Görüntüyü yeni bir dosyaya (imwrite.m) yazın. Kontur döngüsü boyunca her kanat pozisyonu için bu adımı tekrarlayın (30 pozisyon).
  3. Fin ve arka plan arasındaki kontrastı iyileştirmek amacıyla görüntülerin dinamik yoğunluk aralığını mevcut tam aralığa genişletmek için her ortalama görüntüde (imadjust.m) bir histogram iyileştirmesi gerçekleştirin.
  4. Yoğunluk eşiklerini ayarlayın ve siyah-beyaz bir görüntü (imbinarize.m) elde etmek için her görüntüyü iki duruma getirin. Elde edilen beyaz şekiller, yüzgeç kesitinin parçalarına karşılık gelmelidir.
  5. İkili görüntüden (bwareafilt.m) tüm beyaz nesneleri (yüzgeç parçaları) ayıklayın ve görüntüyü (imshow.m) görüntüleyin. Arka plan (siyah) piksellerine (bwboundaries.m) dokunan tüm yüzgeç (beyaz) piksellerini seçerek 2B şekil elde etmek üzere her görüntü için ikili görüntü sınırının bir izini oluşturun.
    NOT: Uygulanan kanat kinematiği nedeniyle, bazı çerçevelerde PLIF ölçülen kesitin görünümü, yüzgecin başka bir kısmı tarafından engellenebilir. Bu gibi durumlarda, ya görüntülerden belirgin tutarlı bir yüzgeç şekli yoktur ya da sadece ön kenar (LE) görünür kalır (Şekil 6).
  6. 3.1.-3.5 Adımlarını gerçekleştirin. her kanat kesiti için.

4. 3D saptırmanın yeniden yapılandırılması

  1. Esnek kasalardaki LE pozisyonunun (en azından strok eksenine daha yakın) aynı şekle sahip sert bir kanatçıktaki LE ile aynı olduğunu varsayarsak, düzlem kesimlerini LE boyunca aynı zaman adımı için hizalayın ve karşılık gelen sert kanatçık şeklinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırın.
  2. Tüm düzlem kesimleri için kanat kesitinin ortaya çıkan merkez çizgisi şekline yaklaşmak için en küçük kareler sığdırın ve bu takılı profillerden basitleştirilmiş bir dışbükey gövde kullanarak 3B kanat şeklini yeniden oluşturun.
  3. Bu işlemin yüksek doğrulukta doğrulama olarak nasıl kullanılabileceğini göstermek için ortaya çıkan kanatçık şekillerini 3B FSI modelleriyle (merkez çizgilerinden oluşturulan) karşılaştırın.
    1. Kısmen sert naylon ve kısmen esnek PDMS yüzgecinin yüzey üçgenlemesini oluşturun.
    2. Hibrit malzemenin özmodlarını elde etmek için ticari bir yapısal dinamik yazılımı kullanın (bkz.
      1. Kanatçık yüzeylerinde tekdüze basınç farkı kullanılarak elde edilen kararlı durum yer değiştirmesini eşleştirmek için ölçeklendirme çalışmaları gerçekleştirin.
      2. Modları, yazılımdan elde edilen yer değiştirmeyle eşleşecek şekilde ölçeklendirin.
    3. Uygun ölçek faktörüyle, esnek kanatçık üzerindeki dengesiz akışı simüle etmek için birleştirilmiş FSI çözücüde kullanılan ilk birkaç baskın modu (genellikle 7 veya 8) kullanın.
      1. Gövdeyi bir arka plan ağına katıştırılmış bir varlık olarak ele alın.
        NOT: Bağlantılı çözücü, Turek-Hron'un arka35'te esnek bir sokma ile dairesel bir silindir üzerindeki akış problemi için doğrulandı ve kanat simülasyonları36'yı çırpmak için genişletildi.
      2. Deneylerden yüzgeç hareketinin kinematiğini reçete edin.
      3. Kuvvet üretiminin zaman geçmişini ve kanatçık döngüsü boyunca birkaç düzlem kesimi boyunca yüzgecin şeklini izleyin ve deneylerle karşılaştırın.

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

Results

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

Yamuk balıktan ilham alan yapay bir pektoral yüzgeç, her biri önde gelen çeyrek akora yerleştirilmiş sert bir ön kenar sparına sahip iki farklı malzemeye (PDMS 10: 1 ve 20: 1, her ikisi de floresan boya ile karıştırılmış) bir kalıptan dökülmüştür (Şekil 2 ve Şekil 3). İki kanat malzemesinin çekme testi (Şekil 3), PDMS 20:1 ve PDMS 10:1 kanatçıkları için sırasıyla 0,38 MPa ve 0,82 MPa'lık elastik modül verdi ve her iki ölçüm için de ...

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

Discussion

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

Düzlemsel lazer kaynaklı floresan tipik olarak, sıvıyı bir lazer tabakası25,26'ya maruz kaldığında floresan olan boya ile tohumlayarak sulu akışları görselleştirmek için kullanılır. Bununla birlikte, uyumlu malzemelerdeki deformasyonları görselleştirmek için PLIF kullanımı daha önce bildirilmemiştir ve bu çalışma, PLIF kullanarak esnek katı kanatçıklarda yüksek çözünürlüklü şekil deformasyonunun zaman geçmişi ölçümlerini elde etmek için bir yaklaşımı açıklamaktad...

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

Disclosures

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Acknowledgements

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

Bu araştırma, ABD Deniz Araştırma Laboratuvarı (NRL) 6.2 temel programı aracılığıyla Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından desteklendi ve Kaushik Sampath NRL'deki Akustik Bölümü'nün bir çalışanıydı ve Nicole Xu, NRL'deki Hesaplamalı Fizik ve Akışkanlar Dinamiği Laboratuvarları'nda NRC Araştırma Ortaklığı ödülüne sahipti. Yazarlar, teknik destek ve rehberlik için Dr. Ruben Hortensius'a (TSI Inc.) teşekkür eder.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ADMET denetleyiciADMETMTESTQuattro
Axon IIRobotlar DerneğiFin donanımı için mikrodenetleyici
Berkeley NucleonicsGecikme Jeneratörü Berkeley Nucleonics CorpModel 525BNC gecikme jeneratörü ve yazılımı
BobCat Cam ConfigImperxKamera ayarları yazılımı
CCD kameraImperxB23404 MegaPixel
COMSOL COMSOLIncAkışkan-yapı etkileşimi modellemesi için ticari yapısal dinamik yazılımı
D646WP ServoHitec36646S32-Bit, Dijital, Yüksek Tork, Kanat aralığı dönüşü için Su Geçirmez Servo
D840WP ServoHitec36840S32-Bit, Çok Amaçlı, Su Geçirmez, Kanat strok dönüşü
için Çelik Dişli ServoElektrikli Pembe floresan pigmentSilc PigPMS812C
EverGreen (532 nm çift darbeli Nd:YAG lazer sistemi)QuantelEVG00070Lazer kafası ve güç kaynağı, 70 mJ
Kuvvet dönüştürücüADMETSM-10-96110 lbf yük hücresi
FrameLinkExpress ImperxKamera yakalama yazılımı
Uzun geçiren floresan filtresiEdmund Optik560 nm
MATLABMathWorksYazılımı
Planet santrifüj karıştırıcıTHINKY MIXERAR-100
Silikon kauçuk bileşikleriMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D yazıcı, polyjet
Üniversal test cihazıADMETeXpert 2611Kalıpları oluşturmak için masa üstü model
VeroBlackStratasys3D yazıcı malzemesi Kalıpları
VeroGrayStratasys3D yazıcı malzemesi
Görüntü analizi için oluşturmak için

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. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
  3. Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
  4. Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
  7. Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
  8. Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
  9. Park, Y. -J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -Y., Cho, K. -J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
  10. Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985(2012).
  11. Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
  12. Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
  13. Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712(2020).
  16. Park, H., Park, Y. -J., Lee, B., Cho, K. -J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
  17. Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
  18. Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101(2020).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
  22. Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924(2021).
  23. Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098(2013).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477(2018).
  25. Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741(2001).
  28. Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
  29. Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
  32. Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
  33. Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
  34. Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).
  38. Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
  39. D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704(2014).

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