一种水下仿生减阻耐压壳体

本发明涉及潜水器，尤其涉及一种水下仿生减阻耐压壳体。

背景技术：

1、随着海洋开发速度不断加快，从近海到远海探索深度不断增加，各种作业目的的潜水器种类繁多、发展迅速，主要用于资源勘探与开发、科学研究、军事探测和打捞等方面。耐压壳作为潜水器的重要组成部分，要求具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，以提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间等性能。

2、现役耐压壳体主要为球形结构和柱形结构。其中，球形壳具有力学特性好、材料利用率高等优点，但空间利用率低、水动力学特性差，主要应用于深海潜水器；柱形壳具有空间利用率高、流体动力学特性好等特点，但材料利用率低、力学特性差，且需要内部加强，一般应用于浅海潜水器。此外，耐压壳体还包括具有良好流体动力学特性的水滴结构，以及具有较强耐压特性的环形结构，但均严重牺牲了耐压壳体的其它性能。可见，现有耐压壳体设计水平无法同时满足或有效协调这些性能，给深海潜水器开发造成了技术瓶颈。

3、自然界存在各式各样的阻力，影响这些阻力的因素也各不相同，江河湖泊中水流对于水生物存在阻力，其中蜣螂不平整的表面减粘脱土有着极大的影响。其体表的凸凹型微观结构也产生了相应的减阻效果。蜣螂表面的微观结构能够扰动表面周围流体，使其周围压强减小，在同样的情况下能够保持高速移动，是一种优异的仿生模型，水下航行中对阻力的研究一直是船舶领域的焦点，显然，蜣螂可为深海耐压壳体设计提供有效的生物信息。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种水下仿生减阻耐压壳体，通过将蜣螂表面优异生物特性运用到深海耐压壳体设计中，具有良好的力学特性、材料利用率、壳内空间利用率、流体动力学特性和乘员舒适性，进而综合提升潜水器的机动性、安全性、载运能力和下潜时间。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明所提出的一种水下仿生减阻耐压壳体，包括圆柱壳体、封头、凸包结构和凹坑结构；所述封头分别对应固接在圆柱壳体的两侧；所述凸包结构和凹坑结构分别延轴向成列且相互交错的圆周均布在圆柱壳体的外圆周表面；相邻两列凸包结构与凹坑结构之间相互对应且均匀间隔。

4、进一步的，所述圆柱壳体一侧的封头为圆形平面结构，另一侧封头为半球形结构。

5、进一步的，所述圆柱壳体筒身的长度l与圆柱壳体的半径r1满足比值l＝(2.3～2.7)r1。

6、进一步的，所述圆柱壳体的厚度满足8mm≤t≤12mm。

7、进一步的，所述圆柱壳体的整体材质为复合材料或塑性材料。

8、进一步的，所述复合材料为碳纤维或陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料；所述塑性材料为钛合金或高强钢。

9、进一步的，所述圆柱壳体筒身的长度l与凸包结构的直径d1满足比值l＝(16.5～17.5)d1。

10、进一步的，所述圆柱壳体的厚度t与凸包结构的高度h满足比值t＝(0.4～0.6)h。

11、进一步的，所述圆柱壳体筒身的长度l与凹坑结构的直径d2满足比值l＝(16.5～17.5)d2。

12、进一步的，所述圆柱壳体的厚度t与凹坑结构的深度f满足比值t＝(0.4～0.6)f。

13、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

14、1、由于本发明采用了具有良好减阻特性、流线型、美学特性的蜣螂表面凸包凹坑结构，通过ansys fluent有限元分别分析传统圆柱形耐压壳与本发明所设计的结构在水下工作过程在同等条件下所能达到的最大相对速度，本发明最大相对速度提高7％-8％；水流矢量密度在桶身与封头交界处最大，延桶身逐渐减小；相对总压力平均降低1％-3％；使得耐压壳体具有良好的流体力学特性、壳内空间利用率、乘员舒适性，有利于综合提升潜水器的机动性、安全性、载运能力和下潜时间。

15、2、在本发明中，壳体采用等凸包凹坑结构，使其均匀阵列在圆柱壳表面，凸包与凹坑的存在，平均动压减小5％左右；减阻特性提高了8％-12％；有效提高材料利用率，相对减轻耐压壳体重量，进而增大了耐压壳体的储备浮力，有利于提高潜水器的载运能力和机动性。

技术特征：

1.一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述壳体包括圆柱壳体、封头、凸包结构和凹坑结构；所述封头分别对应固接在圆柱壳体的两侧；所述凸包结构和凹坑结构分别延轴向成列且相互交错的圆周均布在圆柱壳体的外圆周表面；相邻两列凸包结构与凹坑结构之间相互对应且均匀间隔。

2.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体一侧的封头为圆形平面结构，另一侧封头为半球形结构。

3.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体筒身的长度l与圆柱壳体的半径r1满足比值l＝(2.3～2.7)r1。

4.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体的厚度满足8mm≤t≤12mm。

5.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体的整体材质为复合材料或塑性材料。

6.根据权利要求5所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述复合材料为碳纤维或陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料；所述塑性材料为钛合金或高强钢。

7.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体筒身的长度l与凸包结构的直径d1满足比值l＝(16.5～17.5)d1。

8.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体的厚度t与凸包结构的高度h满足比值t＝(0.4～0.6)h。

9.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体筒身的长度l与凹坑结构的直径d2满足比值l＝(16.5～17.5)d2。

10.根据权利要求1所述的一种水下仿生减阻耐压壳体，其特征在于：所述圆柱壳体的厚度t与凹坑结构的深度f满足比值t＝(0.4～0.6)f。

技术总结
本发明涉及一种水下仿生减阻耐压壳体，包括圆柱壳体、封头、凸包结构和凹坑结构；所述封头分别对应固接在圆柱壳体的两侧；所述凸包结构和凹坑结构分别延轴向成列且相互交错的圆周均布在圆柱壳体的外圆周表面；相邻两列凸包结构与凹坑结构之间相互对应且间隔均匀。本发明通过凸包与凹坑结构的存在，可扰动壳体表面周围的流体，从而大幅降低潜水器在深海或水下航行时受到的流体阻力，具有流体动力学特性、壳内空间利用率、良好的力学特性以及乘员舒适性，有利于综合提升潜水器的机动性、安全性、载运能力和下潜时间，同时还可减轻耐压壳体重量，增大耐压壳体的储备浮力，并降低加工制造难度和成本。

技术研发人员：孙建亮,张原赫,张旭,杨凯钘,杨俊辉
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10