一种基于微空间x型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮
阅读说明：本技术 一种基于微空间x型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮 (Nonlinear resistance-reducing noise-reducing skin based on micro-space X-shaped mechanism array ) 是由 董立强 郭畅 吴琼 赵丹 刘少刚 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮,包括内侧柔性基底、微空间X型机构单元、弹性阻尼连接膜、外侧柔性表皮组成。所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间是由多个微空间X型机构单元通过弹性阻尼连接膜组成的晶格阵列中间层,所述微空间X型机构单元与所述弹性阻尼连接膜间采用固定连接,所述微空间X型机构单元与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮间固定连接。微空间X型机构阵列蒙皮敷设于航行器表面,能够随航速变化被动调整蒙皮系统的刚度与阻尼,具有减阻、抑振、降噪的作用,相较于现有柔性减阻技术具有更强的流场变化适应性。(The invention provides a non-linear resistance-reducing noise-reducing skin based on a micro-space X-shaped mechanism array. The lattice array interlayer is formed by connecting a plurality of micro-space X-shaped mechanism units with the outer flexible surface skin through elastic damping, the micro-space X-shaped mechanism units are fixedly connected with the elastic damping connecting membrane, and the micro-space X-shaped mechanism units are fixedly connected with the inner flexible substrate and the outer flexible surface skin. The micro-space X-shaped mechanism array skin is laid on the surface of the aircraft, can passively adjust the rigidity and the damping of a skin system along with the change of the navigational speed, has the functions of resistance reduction, vibration suppression and noise reduction, and has stronger flow field change adaptability compared with the prior flexible resistance reduction technology.)
技术领域
本发明涉及一种减阻降噪蒙皮，尤其涉及一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮。
背景技术
近年来，海战特点已由“消耗战”转向“速决战”，要求潜艇等水下航行器具有更高的机动性能与更长的续航能力；同时为提高潜艇的战场生存能力，还要求其具备隐身特性，航行器在水下行进时所受流体阻力及产生的噪声直接影响其机动性能、续航能力与隐身特性。
同时，飞机、高铁等高速交通工具在民用交通行业中所占比例也越发提高，尤其我国高铁总里程已突破3.5万公里，稳居世界第一。有关研究表明，交通运输已经成为我国能源消耗的主要源头之一，减小空气阻力将有效降低飞机、高铁的能源消耗，从而实现节能减排。此外，噪声水平直接决定了驾驶人员及乘客的舒适与安全性，因此降低噪声水平也是高速交通工具的迫切需求。
自20世纪30年代起，研究人员通过观察模仿自然界中海豚等高速水生生物的身体形态、皮肤结构及其力学性能等，发现柔性表面技术可用于航行器的减阻降噪。然而，现有柔性蒙皮多是对海豚皮肤形貌的单纯模仿，其减阻效率还远不及海豚皮肤，并随着流速的升高而明显降低，甚至会产生增阻现象。
X型机构启发自动物或昆虫关节，具备优良的减振特性，特别是由于自身具有的几何非线性，使其刚度与阻尼特性也表现出非线性特征，且通过几何与材料的选择，能够实现对非线性刚度与阻尼特性的设计与控制，是良好的被动式振动控制结构。
发明内容
本发明的目的是为航行器提供一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮，基于X型机构的非线性动力学特性，该蒙皮能随着航行器的航速变化被动调节自身刚度与阻尼特性，从而对流场激励产生匹配响应，控制相邻流场湍流相干结构，更好的降低航行器在流体中行进时的阻力与噪声水平。
本发明的目的是这样实现的：包括内侧柔性基底、外侧柔性表皮、均匀设置在内侧柔性基底和外侧柔性表皮之间的微空间X型机构单元，相邻微空间X型机构单元之间通过弹性阻尼连接膜连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述微空间X型机构单元包括球铰、顶盖、对称设置在球铰与顶盖间的连杆机构、弹性阻尼系统，所述球铰固定连接于所述内侧柔性基底，所述顶盖与所述外侧柔性表皮固定连接；每个连杆机构包括下连杆、连接件、销轴、上连杆，所述下连杆与上连杆采用铰接连接，下连杆的另一端通过铰接与球铰连接，所述上连杆另一端与所述顶盖铰接，所述连接件通过所述销轴插装在所述下连杆和上连杆铰接点处；所述弹性阻尼系统还包括弹性阻尼棒、弹性阻尼膜；所述弹性阻尼棒两端分别固定连接于所述球铰和所述顶盖上，所述弹性阻尼膜与所述连接件内侧固定连接，所述连接件外侧与对应的弹性阻尼连接膜固定连接。
2.所述连杆机构为4个，4个所述连杆机构绕所述弹性阻尼棒圆周面间隔设置。
3.所述内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为聚氨酯材质。
4.所述弹性阻尼膜、弹性阻尼连接膜均为同一种具有弹性阻尼特点的有机高分子材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将微型空间X型机构单元通过弹性阻尼连接膜连接形成晶格阵列，并与上下柔性表面连接组成蒙皮结构，敷设于航行器表面，能够随航速变化，被动调整蒙皮系统的刚度与阻尼，从而对流场激励产生更好的响应，控制边界层湍流相干结构，以降低流体阻力与噪声，相较于现有柔性减阻技术，具有更强的流场变化适应性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的单个微空间X型机构单元结构示意图；
图3为本发明的减阻特性示意图；
图4为本发明的降噪特性示意图；
图中标号说明：1.内侧柔性基底；2.微空间X型机构单元；3.弹性阻尼连接膜；4.外侧柔性表皮；5.球铰；6.下连杆；7.销轴；8.连接件；9.弹性阻尼膜；10.上连杆；11.顶盖；12.弹性阻尼棒；13.行航器壳体；14.基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮；15.湍流激励；16.内部噪声；17.外部噪声。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，本发明的一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮包括内侧柔性基底、微空间X型机构单元、弹性阻尼连接膜、外侧柔性表皮组成。所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间为由多个微空间X型机构单元通过弹性阻尼连接膜组成的晶格阵列中间层，所述微空间X型机构单元与所述弹性阻尼连接膜固定连接，所述微空间X型机构单元分别与所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮固定连接。
作为优选：所述的内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为聚氨酯材质。
作为优选：所述微空间X型机构单元还包括球铰、顶盖、连杆机构、弹性阻尼系统组成。所述球铰固定连接于所述内侧柔性基底，所述顶盖与所述外侧柔性表皮固定连接；所述连杆机构还包括下连杆、连接件、销轴、上连杆，所述下连杆与上连杆采用铰接连接，下连杆的另一端通过铰接与球铰连接，所述上连杆另一端与所述顶盖铰接，所述连接件通过所述销轴插装在所述下连杆和上连杆铰接点处；所述弹性阻尼系统还包括弹性阻尼棒、弹性阻尼膜；所述弹性阻尼棒两端分别固定连接于所述球铰和所述顶盖上，所述弹性阻尼膜与所述连接件内侧固定连接，所述连接件外侧与所述弹性阻尼连接膜固定连接。
作为优选：含有多个所述连杆机构，多个所述连杆机构绕所述弹性阻尼棒圆周面间隔设置。具体的所述连杆机构为4个，4个所述连杆机构绕所述弹性阻尼棒圆周面间隔设置。
所述弹性阻尼膜、弹性阻尼连接膜均为同一种具有弹性阻尼特点的有机高分子材料。具体的所述弹性阻尼膜、弹性阻尼连接膜均为橡胶材质。
如图1所示，本发明所述的一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底1、微空间X型机构单元2、弹性阻尼连接膜3、外侧柔性表皮4组成。微空间X型机构单元2与弹性阻尼连接膜3固定连接，内侧柔性基底1与外侧柔性表皮4之间由多个微空间X型机构单元2与多个弹性阻尼连接膜3所组成的阵列填充，微空间X型机构单元2分别与内侧柔性基底1和外侧柔性表皮4固定连接，至此构成基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮。
具体的，内侧柔性基底1与外侧柔性表皮4由具有韧性、质地轻薄的有机高分子材料构成，且内侧柔性基底与外侧柔性表皮结构相同，可对外部声波的入射产生梯度材料效应。
结合图1和图2，对本发明的微空间X型机构单元进行说明，微空间X型机构单元由球铰5、顶盖11、连杆机构和弹性阻尼系统构成。球铰5底部通过冷粘技术固定于内侧柔性基底1上表面。顶盖11上表面通过冷粘技术固定于外侧柔性表皮4下表面。连杆系统包括下连杆6、销轴7、连接件8、上连杆10，下连杆6两端分别与球铰5和上连杆10铰接，上连杆10另一端与顶盖11铰接，连接件8通过销轴7插装在所述下连杆6和上连杆10铰接点处。弹性阻尼系统由弹性阻尼膜9与弹性阻尼棒12构成，弹性阻尼棒12两端固定连接于顶盖11和球铰5上，弹性阻尼膜9与连接件7内侧固定连接，弹性阻尼连接膜3与连接件7外侧固定连接。
具体的，连杆机构为4组，4组连杆机构绕弹性阻尼棒12圆周面间隔设置。弹性阻尼棒12、弹性阻尼膜9、弹性阻尼连接膜3均为橡胶材质。
工作原理如下：
结合图3，对本发明的减阻特性进行说明。基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮14通过内侧柔性基底1贴附于航行器壳体13外表面，当航行器在流体中运动时，外侧柔性表皮4表面受到湍流激励15的作用，使内部微空间X型机构单元2绕球铰5转动，并在弹性阻尼膜9和弹性阻尼棒12的作用下进行伸缩，从而改变了其刚度和阻尼，各单元通过弹性阻尼连接膜3彼此连接，故根据流体湍流激励15被动调节蒙皮系统刚度和阻尼，即控制边界层湍流相干结构对流场激励产生更好的响应，抑制了湍流的形成与发展，达到减阻的目的，相较于现有柔性减阻技术，具有更强的流场变化适应性。
结合图4，对本发明的降噪特性进行说明。基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮14通过内侧柔性基底1贴附于航行器壳体13外表面，当航行器在流体中运动时，外侧柔性表皮4表面受到湍流激励15的作用，微空间X型机构阵列蒙皮14为多层结构，能够有效抑制外部噪声16和内部噪声17的反射和透射，此外，微空间X型机构阵列蒙皮14具有刚度及阻尼可调性，可有效减少湍流激励15引起结构振动产生的噪声，从而达到消声、隔声的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
综上，本发明是为航行器提供一种基于微空间X型机构阵列的非线性减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底、微空间X型机构单元、弹性阻尼连接膜、外侧柔性表皮组成。所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间是由多个微空间X型机构单元通过弹性阻尼连接膜组成的晶格阵列中间层，所述微空间X型机构单元与所述弹性阻尼连接膜间采用固定连接，所述微空间X型机构单元与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮间固定连接。微空间X型机构阵列蒙皮敷设于航行器表面，能够随航速变化被动调整蒙皮系统的刚度与阻尼，具有减阻、抑振、降噪的作用，相较于现有柔性减阻技术具有更强的流场变化适应性。
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