專利名稱:仿生機器魚船舶推進結構的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及船舶的一種結構,特別是涉及船舶航行的推進方式的革新。
背景技術:
魚類和鯨類等哺乳動物的游動方式具有高速、高效、靈活、低噪等特點,既可以在持久游速下保持低能耗、高效率,也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性。依靠尾和鰭的協(xié)調擺動,一方面,普通魚類的游動推進效率可達80%以上,魚參科魚類的推進效 率超過90%,而普通的推進器的平均效率只有40 50%;另一方面,海豚可輕易地以20節(jié)的速度跟隨船只游弋,黃鰭鮪魚的速度可達40節(jié),接近每小時80公里;而梭子魚更可以用20g的加速度迅速起動來掠取獵物。魚類在水中運動的完美性吸引生物學家研究魚類的運動機理,機器人學者則希望制造出和真魚一樣的人工機器魚。近年來仿生水下機器人技術已經成為重要研究方向之一,它基于仿生學原理,通過對魚類游動機理的研究,利用機械結構、電子設備和功能材料來卡發(fā)模仿魚類的操縱和推進方式,并將其應用于水下機器人。對水下機器人的研究主要分兩個方面,一是對機器魚本身的研究,主要是其推進及擺動方式研究;二是對機器魚的水動力研究。對機器魚的推進及擺動方式研究已有較大成果,例如擺動式柔性關節(jié)的仿生機器魚(申請?zhí)?00520068383. 2),波動仿生機器魚(申請?zhí)?00610051785. 0),仿魚尾推進系統(tǒng)的機械傳動裝置(申請?zhí)?00520020571. 8),這些裝置的動力源均為電機,需要使用運動機構,因此帶來振動、噪聲機械損耗等問題,同時不可避免密封的問題。還有一種技術為電磁驅動多關節(jié)仿生魚尾推進裝置(申請?zhí)?00710072620. 6),這種推進裝置不需要電機,而采用永磁體產生的電磁場使魚尾擺動,它具有結構簡單、噪聲低、震動小,不需要動密封等優(yōu)點。對機器魚研究的另外一個方向是水動力性能研究,對于以魚參科模型和月牙尾推進的情形,波狀擺動主要集中于后體,而后體段逐漸縮小形成尾柄,然后連接展長較大的尾鰭,波幅劇烈增大.基于線化理論的解體方法已不能處理,研究主要用實驗方法.典型的工作是MIT的Traintafyllow等有關水翼(二維翼剖面)作的擺動的實驗,表明在一定的頻率、振幅等參數(shù)組合下,推進效率可以接近90%;他們還用物體在擺動水翼前產生尾渦以模擬魚身的尾跡,表明了擺動尾鰭可利用這些旋渦,進一步提高推力和推進效率,使得人們對魚類的高效推進機理的認識提高了一大步。對于急劇激動,如爆發(fā)啟動、快速轉彎的魚類,也有了一些研究Wolfgang等人1999年用DPIV方法的流動顯示方法,顯示了產生快速機動時伴隨有體渦與尾鰭的相互作用。1996年MIT的Barrett等對擺動魚體的減阻進行了研究,他們對自行研制的一條實驗用的6由度仿生機器魚在水槽中進行了拖曳實驗。測試了阻力降低的效果對于五個參數(shù)(即相位角,波長,沖擊角,尾跡寬度,Strouhal數(shù))的變化所受的影響,證明阻力降低對兩個因素敏感,一個是身體的波動速度超過運動速度U ;另一個是Stixmhal數(shù)只能在一定范圍內(0.12 — 0.35)運動。在一定條件下,阻力最大可以降低約70%。他們同時運用數(shù)字仿真對流場進行了仿真,得到許多有用的結果,對魚體游動機理的實驗和理論研究有著非常重要的意義。船舶通常使用常規(guī)螺旋槳作為推進方式,常規(guī)螺旋槳存在能耗高、綜合效率低、噪音大等缺點,對于豪華郵輪等對舒適性要求較高的船舶,這樣的缺陷尤為突出,使得船舶的推進方式急需改進,如何將仿生魚的先進技術應用在船舶上,是擺在船舶科技工作者面前富有挑戰(zhàn)性的課題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是將仿生先進技術應用在船舶上,提供一種仿生機器魚的船舶推進結構,以增大船舶在水中的推進力,加快行速,減少和節(jié)省能耗。為實現(xiàn)以上目的,本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)
仿生機器魚船舶推進結構,包括由前部為燃料艙,中部為連接系統(tǒng),尾部為多關節(jié)魚尾推進系統(tǒng)三部分組成的仿生機器魚,其特征在于;
在外船體的底部,排列配置多個仿生機器魚。進一步,所述多個仿生機器魚,其中位于左右兩側的為轉向仿生機器魚,其余位于 中間的為推進仿生機器魚。進一步,在外船體的底部排列配置大于8個仿生機器魚,其中位于左右兩側,前后各I個,合計4個為轉向仿生機器魚,其余位于中間大于4個的為推進仿生機器魚。再進一步,所述推進仿生機器魚為魚尾部分可左右兩側來回擺動的推進結構,中部有兩個上下中空的連接體與船體連接;
所述轉向仿生機器魚是在推進仿生機器魚的尾部配置可旋轉360度的螺旋槳結構,中部有一個上下中空的連接體與船體連接,尾部多關節(jié)不擺動。再進一步,各推進仿生機器魚位于外船體底部的菱形網格交點,菱形的前后夾角為40至20度,菱形的邊長為I一3個推進仿生機器魚長度。再進一步,轉向仿生機器魚的長度為推進仿生機器魚長度的0. 5-0. 8倍。再進一步,所述推進仿生機器魚的長度為55米,最寬處寬度為12. 5米,最高處高度為9米;
所述轉向仿生機器魚的長度為27米,最寬處寬度為6米,最高處高度為4. 5米。再進一步,所述轉向仿生機器魚的外側有可伸縮的減搖鰭。采用本發(fā)明技術方案仿生機器魚船舶推進結構,多個推進仿生機器魚由魚尾作為推進系統(tǒng),通過魚尾的擺動為船舶提供前進動力;兩側的轉向仿生機器魚尾部裝有螺旋槳,可360度回轉,能為船舶倒駛、轉向提供動力;各仿生機器魚與水面以上船體連接部分,每個推進仿生機器魚有兩個中空連接體與船體連接,每個轉向仿生機器魚有一個中空連接體與船體連接,可保證連接線路以及人員的上下走動,同時保證了剛性強度;仿生機器魚群驅動可用智能控制系統(tǒng)進行控制,用于驅動魚尾擺動,并根據魚體表明的感應體傳達的波壓發(fā)出控制指令,使魚群的擺動有條不紊。推進仿生機器魚魚體的尺寸一致,兩側轉向仿生機器魚魚體的尺寸一致,轉向仿生機器魚魚體的長度尺寸、體積小于推進仿生機器魚的魚體,所有仿生機器魚魚體的總排水量足以提供水面以上的船體所需的浮力。多個推進仿生機器魚以菱形風格的形式錯開分布,按本發(fā)明限定的幾何長度距離配置,根據研究和試驗表明,這樣的分布有利于減小仿生機器魚群的阻力,提高推進效率。推進仿生機器魚的魚尾為仿生魚尾,由多關節(jié)結構組成,各關節(jié)段部可以·裝磁鐵,通過永磁體的磁極變化使其左右擺動,端部為月牙形尾鰭,前2/3部分為剛體,內部放置驅動魚尾擺動的永磁體,可參照電磁驅動多關節(jié)仿生魚尾推進裝置(申請?zhí)?00710072620. 6),從而使魚尾的擺動幅度和頻率得到調節(jié)。轉向仿生機器魚的內部,即配置成本發(fā)明的多個魚群所處一側的外側有可伸縮的減搖鰭,內有驅動螺旋槳的電機,當船舶需要較好的平衡時,減搖鰭伸出,當船舶在平靜海域航行時,減搖鰭可收回。本發(fā)明根據魚群減阻的仿生學原理,對船舶水下部分采用多體魚推進方式,這種水下多體魚群推進系統(tǒng),包括水下部分推進仿生機器魚和兩側的轉向仿生機器魚,魚體通過剛性中空鏈接結構與水面以上船體鏈接,通過位于水面以上甲板內的魚群控制驅動系統(tǒng)進行驅動控制魚群的游動。如今的計算機控制技術,根據航行需要和海面情況控制推進仿生機器魚和轉向仿生機器魚的動作已是一項很成熟的可行技術了。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明顛覆了傳統(tǒng)螺旋槳推進方式,利用仿魚尾擺動方式推進,對以往研究成果進行組合基礎上進行創(chuàng)新設計,使其可用于大型船舶,具有高效率、噪聲低、環(huán)保、對海洋生物無危害等特點,是傳統(tǒng)螺旋槳所無法比擬的,可用于對舒適性要求較高的船型如客船、豪華郵輪等,本技術具有技術創(chuàng)新的特點,填補了本領域國內外的技術空白,為今后大力發(fā)展仿生機器魚在船舶推進中的應用開創(chuàng)和提供了基礎。
圖I為本發(fā)明仿生機器魚船舶推進結構的一種實施方式,在外船體的底部排列配置多個仿生機器魚水下配置的俯視圖,顯示轉向仿生機器魚外側減搖鰭展開的狀態(tài),并顯示了網格配置的形式;
圖2為本發(fā)明一實施例中推進仿生機器魚的俯視 圖3為本發(fā)明一實施例中推進仿生機器魚的主視圖,也即水平觀察 圖4為本發(fā)明一實施例中轉向仿生機器魚的俯視 圖5為本發(fā)明仿生機器魚船舶推進結構的一種實施方式,在外船體的底部排列配置多個仿生機器魚水下配置的俯視圖,顯示推進仿生機器魚尾部擺動瞬間狀態(tài);
圖6為本發(fā)明仿生機器魚船舶推進結構的一種實施方式,在外船體的底部排列配置多個仿生機器魚水下配置的俯視圖,顯示轉向仿生機器魚呈向一側旋轉的狀態(tài)。圖中,I是轉向仿生機器魚,2是推進仿生機器魚,3是減搖鰭,a是魚尾,b是連接體,c是中部,d是前部,e是螺旋槳,a是菱形網格的前后夾角,L是菱形網格的邊長。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作更詳細地描述
仿生機器魚船舶推進結構,包括由前部d為燃料艙,中部c為連接系統(tǒng),尾部a為多關節(jié)魚尾推進系統(tǒng)三部分組成的仿生機器魚,
在外船體的底部,排列配置多個仿生機器魚。所述多個仿生機器魚,其中位于左右兩側的為轉向仿生機器魚1,其余位于中間的為推進仿生機器魚2。在外船體的底部排列配置大于8個仿生機器魚,其中位于左右兩側,前后各I個,合計4個為轉向仿生機器魚1,其余位于中間大于4個的為推進仿生機器魚2。
所述推進仿生機器魚2為魚尾a部分可左右兩側來回擺動的推進結構,中部有兩個上下中空的連接體b與船體連接;
所述轉向仿生機器魚I是在推進仿生機器魚2的尾部配置可旋轉360度的螺旋槳e結構,中部有一個上下中空的連接體b與船體連接,尾部多關節(jié)不擺動,可為剛性體。各推進仿生機器魚2位于外船體底部的菱形網格交點,菱形的前后夾角a為40至20度,菱形的邊長L為I一 3個推進仿生機器魚2長度。轉向仿生機器魚I的長度為推進仿生機器魚2長度的0. 5—0. 8倍。所述推進仿生機器魚2的長度為55米,最寬處寬度為12. 5米,最高處高度為9米;
所述轉向仿生機器魚I的長度為27米,最寬處寬度為6米,最高處高度為4. 5米。所述轉向仿生機器魚I的外側有可伸縮的減搖鰭3。結合附圖實施例,仿生機器魚船舶推進結構由多個單個魚體組成,推進仿生機器魚2共10個相同尺寸的大魚體,長為55米,最寬處寬度為12. 5米,高度最高為9米,機器魚體的前部開始的2/3為剛性體,中部中間通過中空連接結構與主船體相連,尾部為可擺動結構。轉向仿生機器魚I為小魚體共4個,尺度相同,長為27米,最寬處寬度為6米,小魚體最高為4. 5米。小魚體為剛性體,內置可伸縮減搖鰭,尾部帶有螺旋槳,通過中空連接結構與主船體相連,可360度回轉;推進仿生機器魚大魚體和轉向仿生機器魚小魚體總排水量近3萬噸。推進仿生機器魚2大魚體之間錯開分布,前后距離為31米,左右間距為9米;轉向仿生機器魚I小魚體位于推進仿生機器魚2大魚體的兩側;小魚體前后間距為46米;推進仿生機器魚2與小魚體之間橫向間距為2. 5米。根據研究表明,這樣的分布有利于減小魚體阻力,提聞推進效率。仿生機器魚與水上主船體的前連接體,為中空剛性結構,長度為10米,寬度為7米,高度為2米左右,外形根據水流做成流線形,以減小阻力,仿生機器魚與水上主船體的后連接體,剖面近似圓形,直徑達8米,高度為2米左右,兩個連接體內部有足夠的空間供電纜,通風以及人通行。附圖5為魚尾擺動的瞬時圖,一半推進仿生機器魚2大魚體向左擺動的同時,另一半大魚體向右擺動,從而整個魚群,整條船舶向前運動。附圖6,當船舶需要轉向時,推進仿生機器魚2保持靜止,轉向仿生機器魚I以連接體為軸進行轉動,轉動到所需角度后,啟動螺旋槳,從而使主船體轉向或調 頭。
權利要求
1.仿生機器魚船舶推進結構,包括由前部(d)為燃料艙,中部(C)為連接系統(tǒng),尾部(a)為多關節(jié)魚尾推進系統(tǒng)三部分組成的仿生機器魚,其特征在于; 在外船體的底部,排列配置多個仿生機器魚。
2.根據權利要求I所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于所述多個仿生機器魚,其中位于左右兩側的為轉向仿生機器魚(I),其余位于中間的為推進仿生機器魚(2)。
3.根據權利要求I所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于在外船體的底部排列配置大于8個仿生機器魚,其中位于左右兩側,前后各I個,合計4個為轉向仿生機器魚(1),其余位于中間大于4個的為推進仿生機器魚(2)。
4.根據權利要求2或3所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于 所述推進仿生機器魚(2)為魚尾(a)部分可左右兩側來回擺動的推進結構,中部有兩個上下中空的連接體(b)與船體連接; 所述轉向仿生機器魚(I)是在推進仿生機器魚(2)的尾部配置可旋轉360度的螺旋槳(e)結構,中部有一個上下中空的連接體(b)與船體連接,尾部多關節(jié)不擺動。
5.根據權利要求2或3所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于各推進仿生機器魚(2)位于外船體底部的菱形網格交點,菱形的前后夾角(a)為40至20度,菱形的邊長(L)為I一3個推進仿生機器魚(2)長度。
6.根據權利要求2或3所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于轉向仿生機器魚(I)的長度為推進仿生機器魚(2)長度的0.5 — 0.8倍。
7.根據權利要求2或3所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于 所述推進仿生機器魚(2)的長度為55米,最寬處寬度為12. 5米,最高處高度為9米; 所述轉向仿生機器魚(I)的長度為27米,最寬處寬度為6米,最高處高度為4. 5米。
8.根據權利要求2或3所述仿生機器魚船舶推進結構,其特征在于所述轉向仿生機器魚(I)的內部有可伸縮的減搖鰭(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶的一種結構,特別是涉及船舶航行的推進方式的革新。仿生機器魚船舶推進結構,包括仿生機器魚,其特征在于;在外船體的底部,排列配置多個仿生機器魚。所述多個仿生機器魚,其中位于左右兩側的為轉向仿生機器魚(1),其余位于中間的為推進仿生機器魚(2)。所述推進仿生機器魚(2)為魚尾(a)部分可左右兩側來回擺動的推進結構,中部有兩個上下中空的連接體(b)與船體連接;所述轉向仿生機器魚(1)是在推進仿生機器魚(2)的尾部配置可旋轉360度的螺旋槳(e)結構,中部有一個連接體(b)與船體連接,尾部多關節(jié)不擺動。本發(fā)明顛覆了傳統(tǒng)螺旋槳推進方式,利用仿魚尾擺動方式推進,具有水下多體推進、噪聲低、環(huán)保、對海洋生物無危害等特點。
文檔編號B63H1/36GK102806985SQ20111014372
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權日2011年5月31日
發(fā)明者周妍, 張桂湘, 李俊, 劉億 申請人:上海船舶研究設計院浦東中試基地