[發明專利]一種新型仿生魚尾結構

有效

• 申請號: 201210578963.0
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103043198A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 李華峰;官源林;夏孝云;狄思思
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

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技術領域

本發明屬于仿生領域，主要涉及利用復合材料的各向異性特點來涉及一種新型仿生魚尾，來模擬出金槍魚等魚類所能完成的復雜運動。

背景技術

水下仿生技術是一種以仿生學為基礎并結合魚類長期進化所形成具有的高效運動模式的新技術，以此技術研制的水下航行器延續了早期的在海洋環境的信息監測、水下輔助導航定位、海洋資源勘測等民用方面和在分布式戰術的監測、水雷偵察和水下目標的探測、跟蹤和定位等軍事方面的應用。魚類推進模式的研究是新型仿生魚水下推進器的研究基礎。依據魚類推進模式不同，可分為身體/尾鰭模式和中央鰭/對鰭模式，前者是借助身體波動運動或尾鰭擺動運動產生大推進力，在高速巡游和啟動方面具有優勢；后者是借助尾鰭以外的運動產生推進力，在機動性和穩定性方面具有優勢。為了實現仿生魚小型化和提高其靈活性，如NiTi形狀記憶合金驅動、超磁致伸縮薄膜、IPMC等智能材料被應用于仿生魚的研究。但是這些結構由于受到各種材料的限制，只能進行簡單彎曲來前進、上浮和下潛，無法模擬出金槍魚類所能完成的復雜動作。

發明內容

發明目的：針對上述現有存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種新型仿生魚尾結構，具有結構簡單、重量輕等優點。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：一種新型仿生魚尾結構，包括魚尾肌肉、基板和魚尾，所述魚尾肌肉由壓電材料模擬制成的壓電驅動層，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾部；所述魚尾由纖維增強復合材料制成，并通過樹脂薄膜粘接在基板的尾端。

作為優選，所述基板也采用纖維增強復合材料。

作為優選，所述纖維增強復合材料為碳纖維復合材料或玻璃纖維聚氨酯復合材料。

作為優選，所述壓電材料為粗壓電纖維復合材料（簡稱MFC）。

作為優選，所述樹脂薄膜采用聚氨酯薄膜。

作為優選，所述魚尾的材料為玻璃纖維聚氨酯復合材料；所述基板材料為碳纖維環氧復合材料。基板材料選擇碳纖維環氧復合材料，主要在于壓電驅動層-粗壓電纖維復合材料（MFC）是在材料伸縮變形，而魚尾需要左右平動，為將MFC產生的力盡可能轉到推進力中，采用拉伸模量高阻止其伸縮變形的碳纖維環氧復合材料。而魚尾（尾巴）則不需要考慮伸縮變形，并且是由前部分帶動及水的作用而產生的運動，柔性材料更適合于這種結構，因此不需要與基板一樣的材料，只需要彈性模量小，剛度低的玻璃纖維聚氨酯復合材料。

作為優選，所述壓電驅動層和基板中的纖維方向之間角度為0°～90°。壓電驅動層的壓電材料和基板材料都是纖維復合材料，其中纖維方向為復合材料的主方向，也是主要彈性模量方向，而各向同性材料每個方向彈性模量都一致。在鋪設壓電材料和基板材料的纖維方向一致時，相當于壓電材料與各向同性材料鋪設一樣，只產生彎曲變形。于是壓電材料和極板材料的纖維方向具有一定角度鋪設時，從而可以實現各種復雜動作。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：能實現如金槍魚等采用尾鰭推動模式魚類的復雜動作，且具有結構簡單、重量輕、效率高等的優點。

附圖說明

圖1為本發明所述仿生魚尾結構的結構示意圖；

圖2為圖1的側視圖。

其中，壓電驅動層1、基板2、魚尾3、樹脂薄膜4、夾具5。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1～2所示，現針對金槍魚新月尾形狀，具體說明本發明所述仿生魚尾結構的設計過程。它包括基板、魚尾、魚尾肌肉和夾具，其中各部分采用的材料如下：粗壓電復合材料（MFC）被用作壓電驅動材料模擬魚尾肌肉制成壓電驅動層，基板和魚尾的材料選用碳纖維環氧型增強復合材料，夾具則采用有機玻璃。并且，所述基板采用碳纖維環氧型復合材料各向異性，拉伸模量大、彎曲模量小，在壓電材料作用時能產生大變形，并且基板長度尺寸要大于壓電驅動層的尺寸；而所述魚尾采用玻璃纖維聚氨酯復合材料，其相對于基板的碳纖維環氧復合材料，彈性模量更小、剛度更低、柔性更好，變形更大。

壓電驅動層通過高溫固化方法用聚氨酯薄膜粘結到基板2的靠近尾部處，而魚尾4也用同樣方法粘結到基板2的尾端上，然后用夾具5夾住基板前端，并用4個M5螺栓擰緊夾具。在裁剪纖維增強復合材料基板2時，根據設計需要，可以將裁剪方向與材料主方向成一定角度來剪出所需基板形狀，然后將壓電驅動層1按照魚尾形狀粘結到基板上，滿足上下兩層板主方向成一定角度的要求。本實施例中，裁剪基板時，裁剪方向與材料主方向（即纖維方向）成一定角度，例如45°時，當提供高電壓（1000Vp）低頻率（10Hz）時，魚尾會產生較大幅度的彎曲擺動以及扭曲擺動。