基于仿生學(xué)原理的滑翔式水翼艇模型設(shè)計?

常軍然，謝 崟，王 凡

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州 341000）

基于仿生學(xué)原理的滑翔式水翼艇模型設(shè)計?

常軍然，謝 崟，王 凡

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州 341000）

為豐富水上運動項目，增加其娛樂性和競技性，設(shè)計了一款單人駕駛的滑翔式水翼艇模型?；陲w魚可實現(xiàn)滑翔的啟發(fā)，利用仿生學(xué)原理，采用形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生相結(jié)合的理念，對水翼艇進(jìn)行了外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計。并對其主要零部件的外形和安裝位置進(jìn)行詳細(xì)說明，生成了3D模型圖。依據(jù)設(shè)計結(jié)果，制作了簡易模型，并進(jìn)行水面航行試驗，跳躍效果良好。該試驗結(jié)果，可為進(jìn)一步研制載人水上跳躍裝置提供設(shè)計依據(jù)。

仿生設(shè)計；飛魚；水翼艇；滑翔；模型

1 引 言

在現(xiàn)代航運事業(yè)發(fā)展要求和軍事用途的驅(qū)動下，各種高性能的船舶相繼問世［1］。建立在“打水飄”原理上的滑行艇，沖破了數(shù)千年來阿基米德類船舶概念的束縛，揭開了高性能船開發(fā)的序幕。其后水翼船、氣墊船、地效翼船、高速雙體船、穿浪船和小水線面船等的研制和應(yīng)用，不斷刷新著水上交通工具的速度和性能。

船舶作為水上運載工具，必須具備以下四個功能：①支承性：能在水上或水下支承重量；②穩(wěn)定性：經(jīng)得起一定程度的擾動；③運動性：運載工具必須能作規(guī)定運動；④可控性：對運動具有一定的控制能力。

大型船舶由于承載能力大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)和運動穩(wěn)定性要求高，在設(shè)計方面要考慮的因素也很多。而水上運動裝備就相對簡單，沖浪、帆船、水上摩托等都是人們所鐘愛的水上極限運動，駕駛者充分利用自身的高超技巧和平衡能力駕馭裝備、搏擊海浪，這些項目有很強(qiáng)的競技性和娛樂性。筆者借鑒滑行艇和水翼船的設(shè)計過程［2－3］，基于飛魚運動特性和仿生學(xué)原理，提出了滑翔式水翼艇的設(shè)計概念。該裝置主要用于單人駕駛，在水面上實現(xiàn)跳躍、滑翔、行進(jìn)，進(jìn)行娛樂或競技比賽。

2 設(shè)計依據(jù)

飛魚以能飛而著名，如圖1所示。飛魚不是飛翔，而只是滑翔。飛魚在水下加速，把胸鰭張開，尚在水中的尾部快速拍擊，從而獲得額外推力，等力量足夠時，尾部完全躍出水，以每小時16 km的速度滑翔於水面上方。它能躍出水面十幾米，空中停留的最長時間是40多秒，飛行的最遠(yuǎn)距離有400多米。飛魚利用自身條件控制胸鰭，改變水翼上升迎角，在短時間內(nèi)獲得極大的上升力，實現(xiàn)飛躍。

圖1 飛魚

水翼即水中運動的機(jī)翼，它與機(jī)翼在空氣中運動一樣能產(chǎn)生舉力。水的密度約為空氣密度的800倍，同樣外形和運動狀態(tài)的水翼，其升力比飛機(jī)機(jī)翼的升力約大800倍。水翼船就是利用水翼的這種特性把船體托出水面，使流體阻力大為減小的水上運動工具［4－5］，多用于大型軍事艦艇或內(nèi)河客運?；型г谒嫔细咚龠\動時，只有部分艇底與水接觸，整個船體處于滑行狀態(tài)，阻力降低顯著。多用于軍用快艇和其他高速艇，如魚雷艇、導(dǎo)彈艇和摩托艇等。

3 3D模型設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)原理

基于飛魚的身體外形和運動特性，堅持形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生相結(jié)合的理念［6－7］，利用SolidWorks軟件和虛擬樣機(jī)技術(shù)［8］，設(shè)計了滑翔式水翼艇模型，如圖2所示。船體1呈流水線型，船艙中設(shè)控制臺3和單人座椅5，為了安全裝有安全罩2，可避免駕駛者被淋濕或落水。螺旋槳7后置，裝在船體兩側(cè)尾翼處，相當(dāng)于飛魚的尾巴，可提供強(qiáng)大的動力?？煽厮?安裝在船體正下方，低速行駛時，水翼深入水面下方，呈水平狀態(tài)（見圖3），以減小運動阻力；加速過程中，在船體的水翼的“托舉”作用下，升到水體表面作高速航行，此時通過控制液壓活塞桿6，使水翼尾部下移，與水平面呈一定升角（見圖4），產(chǎn)生靜海沖浪效果，水翼艇躍起離開水面。水翼艇在空中滑翔一段距離后，因重力作用落入水中，水翼復(fù)位完成一次跳躍。

圖2 水翼艇結(jié)構(gòu)圖

圖3 水翼水平狀態(tài)

圖4 水翼升角狀態(tài)

3.2 水翼外形設(shè)計

水翼的形狀呈魚側(cè)形，前端圓鈍、后端尖銳，上表面拱起、下表面較平，如圖5所示。當(dāng)氣流迎面流過水翼時，水流線性分布情況如圖6所示，原來是一股水流，由于水翼的插入被分成上下兩股。通過水翼后，在后緣又重合成一股。由于水翼上表面拱起，使上方水流通道變窄，流速加快。根據(jù)伯努利原理可知，流速大的地方壓強(qiáng)小。水翼上方的壓強(qiáng)比水翼下方的壓強(qiáng)小，也就是說，水翼下表面受到向上的壓力比水翼上表面受到向下的壓力要大，該個壓力差就是水翼產(chǎn)生的升力。

圖5 水翼外形

圖6 水翼周圍水流線性分布圖

3.3 尾翼的設(shè)計

船體在運動過程中會因各種干擾（如風(fēng)浪等）而偏離原來姿態(tài)。尾翼具有恢復(fù)船體原有姿態(tài)的能力［7－8］，對船體起縱向穩(wěn)定作用。在設(shè)計中，采用水平尾翼9加垂直尾翼8結(jié)構(gòu)如圖2所示，水平尾翼對稱布置在船體尾部兩側(cè)處，就好比飛魚的尾鰭，起平衡作用。在兩水平尾翼中間設(shè)有垂直尾翼，垂直尾翼可保持船體轉(zhuǎn)彎在無側(cè)滑狀態(tài)下進(jìn)行。

3.4 驅(qū)動裝置設(shè)計

水翼艇驅(qū)動裝置采用水平雙驅(qū)，2個螺旋槳水平安裝在船體尾部左右兩側(cè)，如圖7所示。船體運行中，調(diào)節(jié)2個發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速只造成水平扭矩改變，不影響縱向扭矩，不易使船體側(cè)翻造成沉沒，運行平穩(wěn)。船體轉(zhuǎn)向時只需要控制2個發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速就可實現(xiàn)，無需其他輔助機(jī)構(gòu)，這樣大大提高了裝置的整體剛度。

圖7 水平雙驅(qū)螺旋槳

4 模型制作和性能試驗

依上述設(shè)計制作水翼艇試驗?zāi)Ｐ停鐖D8所示。該模型在制作過程中為解決復(fù)雜曲面難以成型和加工可行性問題，對水翼艇外形做了簡化，采用PVC水管制作船體和發(fā)動倉。樹脂板成型性好，用來制作可控水翼；采用鋰電池和電動機(jī)做動力源；所有電子元件裝入船體，加蓋用玻璃膠實現(xiàn)密封。采用彈簧機(jī)構(gòu)實現(xiàn)水翼擺動，初始狀態(tài)水翼與船體保持平行，通過無線遙控系統(tǒng)控制電機(jī)，使水翼艇增速，當(dāng)達(dá)到一定速度時，舵機(jī)收線，經(jīng)過滑輪的拉動開關(guān)，水翼彈開，水翼艇實現(xiàn)跳躍。

圖8 水翼艇試驗?zāi)Ｐ蜋C(jī)

圖9 水翼艇跳躍滑翔瞬間圖

通過試驗，該模型的跳躍效果良好，圖9為水翼艇跳躍脫離水面的瞬間。該作品參加了2012年江西省機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽，獲得三等獎。

5 結(jié) 語

根據(jù)飛魚的身體外形和運動特點，利用仿生學(xué)原理和三維設(shè)計軟件，對水翼艇的結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并生成3D模型。利用學(xué)校現(xiàn)有加工條件，簡單試制了水翼艇試驗?zāi)Ｐ?，?jīng)調(diào)試最終實現(xiàn)船體的水面跳躍和滑翔功能。由于對流體力學(xué)知識的不足，本文不涉及復(fù)雜力學(xué)特性的計算，對載人應(yīng)用也沒有提供足夠的設(shè)計計算，但滑翔式水翼艇模型的設(shè)計，可為進(jìn)一步研制載人水上跳躍裝置提供設(shè)計依據(jù)。

［1］ 柳衛(wèi)東，裘泳銘，朱美琪.國外復(fù)合船型研究發(fā)展?fàn)顩r和趨勢［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000，6 24（3）：294－300.

［2］ 王緒明，蘇 健.自控水翼阻流助升超高速雙體船設(shè)計研究［J］船舶工程，2009，4（31）：4－8.

［3］ 唐義虎.水翼游艇設(shè)計探討［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2004，4（23）：128－133.

［4］ 唐義虎.水翼艇翼航時穩(wěn)性探討［J］.船舶工程，2006，4（28）：46－48.

［5］ 周俊麟，董祖舜，董文才.水翼艇性能的小系列試驗研究［J］.船舶，2004，4（2）：15－19.

［6］ 陳 為.工業(yè)設(shè)計中仿生設(shè)計的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2003（12）：9－12.

［7］ 何建慧，章永華.基于形狀記憶合金驅(qū)動的仿生鯽魚尾鰭的設(shè)計和分析［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2012，19（1）：9－15.

［8］ 高 利，遲毅林，曾謝華.虛擬產(chǎn)品開發(fā)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2005（10）：6－7.

Model Design of Glide Hydrofoil based on Bionics Principle

CHANG Jun－ran，XIE Yin，WANG Fan

（Faculty of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China）

A model of glide hydrofoil for one man is designed in order to enrich water sports and increase entertainment，com?petitiveness.Firstly，inspired by flying fish gliding，the shape and constructure of hydrofoil is designed based on design con?cept of combining shape and structure bionics.Then，the shapes of main components and its installation positions are descriped in more detail，and the 3D model figure is generated.Finally，simple model of glide hydrofoil is made on the basis of design results，surface navigation test is carried out，and test result showed that jump effect of glide hydrofoil model is good.Results of the model test offer reference for the design of manned－jumping device.

bionics design；flying fish；hydrofoil；gliding；model

TH122；TB21

A

1007－4414（2013）04－0136－03

2013－06－03

常軍然（1979－），女，河北石家莊人，碩士，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計及理論方面的研究和教學(xué)工作。