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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Das vorliegende Protokoll umfasst die Messung und Charakterisierung der 3D-Formverformung in Unterwasser-Flatterrippen, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) -Materialien gebaut wurden. Die genaue Rekonstruktion dieser Verformungen ist für das Verständnis der Antriebsleistung von nachgiebigen Schlagflossen unerlässlich.

Zusammenfassung

Antriebsmechanismen, die von den Flossen verschiedener Fischarten inspiriert sind, wurden zunehmend erforscht, da sie das Potenzial für verbesserte Manövrier- und Tarnfähigkeiten in unbemannten Fahrzeugsystemen haben. Weiche Materialien, die in den Membranen dieser Flossenmechanismen verwendet werden, haben sich im Vergleich zu starreren Strukturen als wirksam erwiesen, um den Schub und die Effizienz zu erhöhen, aber es ist wichtig, die Verformungen in diesen weichen Membranen genau zu messen und zu modellieren. Diese Studie stellt einen Workflow zur Charakterisierung der zeitabhängigen Formverformung von flexiblen Unterwasser-Schlagflossen mittels planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF) vor. Pigmentierte Polydimethylsiloxan-Lamellenmembranen mit unterschiedlichen Steifigkeiten (0,38 MPa und 0,82 MPa) werden hergestellt und an einer Baugruppe zur Betätigung in zwei Freiheitsgraden montiert: Nicken und Walzen. PLIF-Bilder werden über eine Reihe von spanweisen Ebenen aufgenommen, zu Flossenverformungsprofilen verarbeitet und kombiniert, um zeitvariable 3D-deformierte Lamellenformen zu rekonstruieren. Die Daten werden dann verwendet, um eine High-Fidelity-Validierung für Fluid-Struktur-Interaktionssimulationen bereitzustellen und das Verständnis der Leistung dieser komplexen Antriebssysteme zu verbessern.

Einleitung

In der Natur haben sich viele Fischarten entwickelt, um eine Vielzahl von Körper- und Flossenbewegungen zu nutzen, um Fortbewegung zu erreichen. Die Forschung zur Identifizierung der Prinzipien der Fortbewegung von Fischen hat dazu beigetragen, das Design bioinspirierter Antriebssysteme voranzutreiben, da Biologen und Ingenieure zusammengearbeitet haben, um leistungsfähige Antriebs- und Kontrollmechanismen der nächsten Generation für Unterwasserfahrzeuge zu entwickeln. Verschiedene Forschungsgruppen haben Flossenkonfigurationen, Formen, Materialien, Hubparameter und Oberflächenkrümmungskontrolltechnikenuntersucht 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Die Bedeutung der Charakterisierung der Spitzenwirbelerzeugung und der Nachlaufneigung zum Verständnis der Schuberzeugung in Ein- und Mehrflossensystemen wurde in zahlreichen Studien dokumentiert, sowohl rechnerisch als auch experimentell 13,14,15,16,17,18. Für Lamellenmechanismen aus nachgiebigen Materialien, die in verschiedenen Studien gezeigt wurden, um die Neigung des Nachlaufs zu reduzieren und den Schubzu erhöhen 17, ist es auch wichtig, ihre Verformungszeithistorie zu erfassen und genau zu modellieren, um sie mit der Strömungsstrukturanalyse zu paaren. Diese Ergebnisse können dann verwendet werden, um Berechnungsmodelle zu validieren, das Flossendesign und die Flossensteuerung zu informieren und aktive Forschungsbereiche in instationärer hydrodynamischer Belastung flexibler Materialien zu erleichtern, die validiert werdenmüssen 19. Studien haben eine direkte bildbasierte Hochgeschwindigkeits-Formverfolgung in Haifischflossen und anderen komplexen Objektenverwendet 20,21,22, aber die komplexe 3D-Lamellenform blockiert oft den optischen Zugang, was die Messung erschwert. Daher besteht ein dringender Bedarf an einer einfachen und effektiven Methode, um flexible Flossenbewegungen zu visualisieren.

Ein Material, das in konformen Lamellenmechanismen weit verbreitet ist, ist Polydimethylsiloxan (PDMS) aufgrund seiner niedrigen Kosten, Benutzerfreundlichkeit, der Fähigkeit, die Steifigkeit zu variieren, und der Kompatibilität mit Unterwasseranwendungen23, wie in einer Überprüfung von Majidi et al.24 ausführlich beschrieben. Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist PDMS auch optisch transparent, was für Messungen mit einer optischen Diagnosetechnik wie der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) förderlich ist. Traditionell wurde PLIF innerhalb der experimentellen Strömungsmechanik25 verwendet, um Flüssigkeitsströmungen zu visualisieren, indem die Flüssigkeit mit Farbstoff oder suspendierten Partikeln ausgesät wurde oder Quantenübergänge von Spezies, die sich bereits in der Strömung befinden, genutzt werden, die fluoreszieren, wenn sie einer Laserfolie ausgesetzt werden 26,27,28,29. Diese etablierte Technik wurde verwendet, um die grundlegende Fluiddynamik, Verbrennung und Ozeandynamik 26,30,31,32,33 zu untersuchen.

In der vorliegenden Studie wird PLIF verwendet, um räumlich-zeitlich aufgelöste Messungen der Formverformung in flexiblen, von Fischen inspirierten Roboterflossen zu erhalten. Anstatt die Flüssigkeit mit Farbstoff zu säen, wird die Unterwasserkinematik einer PDMS-Flosse an verschiedenen akkordweisen Querschnitten visualisiert. Obwohl planare Laserbildgebung auf regulären gegossenen PDMS ohne zusätzliche Fluoreszenz durchgeführt werden kann, kann die Modifikation von PDMS zur Verbesserung der Fluoreszenz das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder verbessern, indem die Auswirkungen von Hintergrundelementen wie der Lamellenmontagehardware reduziert werden. PDMS kann durch Verwendung von zwei Methoden fluoreszierend gemacht werden, entweder durch fluoreszierende Partikelaussaat oder Pigmentierung. Es wurde berichtet, dass ersteres für ein bestimmtes Teileverhältnis die Steifigkeit des resultierenden gegossenen PDMS34 verändert. Daher wurde ein ungiftiges, kommerziell erhältliches Pigment mit transparentem PDMS gemischt, um fluoreszierende Lamellen für die PLIF-Experimente zu gießen.

Um ein Beispiel für die Verwendung dieser Finnkinematikmessungen für die Validierung von Computermodellen zu geben, wird die experimentelle Kinematik dann mit Werten aus den FSI-Modellen (Coupled Fluid-Structure Interaction) der Fin verglichen. Die in den Berechnungen verwendeten FSI-Modelle basieren auf den ersten sieben Eigenmoden, die unter Verwendung der gemessenen Materialeigenschaften für die Lamellen berechnet wurden. Erfolgreiche Vergleiche validieren Flossenmodelle und geben Vertrauen in die Verwendung der Berechnungsergebnisse für das Flossendesign und die Kontrolle. Darüber hinaus zeigen die PLIF-Ergebnisse, dass diese Methode verwendet werden kann, um andere numerische Modelle in zukünftigen Studien zu validieren. Weitere Informationen zu diesen FSI-Modellen finden sich in früheren Arbeiten 35,36 und in grundlegenden Texten der Computational Fluid Dynamics Methoden 37,38. Zukünftige Studien können auch simultane Messungen von Festkörperverformungen und Flüssigkeitsströmungen für verbesserte experimentelle Studien von FSI in Roboterflossen, bioinspirierten weichen Robotern und anderen Anwendungen ermöglichen. Da PDMS und andere kompatible Elastomere in verschiedenen Bereichen, einschließlich Sensoren und medizinischen Geräten, weit verbreitet sind, kann die Visualisierung von Verformungen in flexiblen Festkörpern mit dieser Technik einer größeren Gemeinschaft von Forschern in den Bereichen Ingenieurwesen, Physik, Biologie und Medizin zugute kommen.

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Protokoll

1. Lamellenherstellung

  1. Bauen Sie eine Flossenform basierend auf dem gewünschten Formdesign.
    1. Entwerfen und bauen Sie eine benutzerdefinierte 3D-gedruckte, glänzende Form in Lamellenform (Abbildung 1). Siehe STL-Dateien zum Herstellen der Form in Supplementary Coding Files 1-4.
    2. Fügen Sie Strukturelemente in die Form ein, z. B. einen 3D-gedruckten Vorkantenholm aus starrem Kunststoff. Siehe die STL-Datei des Spars in Supplementary Coding File 2.
  2. Mischen Sie PDMS (siehe Materialtabelle) im gewünschten Teileverhältnis.
    1. Wählen Sie das Teileverhältnis von Basiselastomere zu Härter (d. h. 10:1 oder 20:1), um einen höheren bzw. niedrigeren Elastizitätsmodul zu erreichen. Wiegen Sie die entsprechenden Mengen an Basis und Härter.
      HINWEIS: In der vorliegenden Studie wurden sowohl 10:1 als auch 20:1 (Elastomer zu Härter) verwendet.
    2. Messen Sie das fluoreszierende Pigment (siehe Materialtabelle) so, dass die Gesamtmischung 0,1% -1% Pigment nach Gewicht enthält, abhängig von der gewünschten Helligkeit der Pigmentierung. Fügen Sie das Pigment der PDMS-Mischung hinzu.
    3. Gießen Sie die gemessenen Mengen an Elastomer, Härter und Pigment in einen planetaren Zentrifugalmischer (Mischen bei 423 x g für 30 s und Entlüftung bei 465 x g für 30 s) und mischen Sie entsprechend.
  3. Gießen Sie die Flosse in die Form.
    1. Entgasen und gießen Sie die PDMS-Mischung in die Form für die Finne. Die Form bei 70 °C für 45 min in den Ofen geben und über Nacht bei 37 °C aushärten lassen.
    2. Sobald die Aushärtung abgeschlossen ist, entfernen Sie die gegossene Flosse aus der Form (Abbildung 2).
  4. Führen Sie Zugversuche gemäß ASTM-Norm39 durch.
    1. Für jede Flossenguss in Schritt 1.3. wird eine Probe vom Typ IV mit demselben PDMS und derselben Pigmentmischung in einer Form vom Typ IV unter Verwendung der zuvor beschriebenen Schritte 1.1.-1.3 gegossen.
      HINWEIS: Siehe die STL-Dateien zum Gießen der Typ IV-Probe in der ergänzenden Kodierungsdatei 5 (Formteil in Abbildung 1C dargestellt), und siehe Abbildung 3 für Beispiele der getesteten Proben vom Typ IV.
    2. Klemmen Sie den Prüfling in die Zugprüfmaschine ein (siehe Werkstofftabelle). Messen Sie die anfängliche Länge, Breite und Dicke (mm) des schmalen Probenabschnitts.
    3. Setzen Sie den Prüfling einer Spannung in Schritten von 5 mm aus, wobei sicherzustellen ist, dass die Probe nur im elastischen Bereich gedehnt und nicht überdehnt bleibt. Verringern Sie die Spannung in Schritten von 5 mm, bis die gesamte Probenverschiebung 0 mm (ursprüngliche Position) beträgt. Notieren Sie die Längen (mm) und Kräfte (N) des schmalen Abschnitts in jedem Schritt.
    4. Um den Elastizitätsmodul der Probe zu berechnen, zeichnen Sie die Spannungs-Dehnungs-Kurve auf und bestimmen Sie die beste lineare Anpassung und denR2-Wert .

2. Versuchsaufbau und Versuche

  1. Montieren Sie die PLIF-Hardware (siehe Materialtabelle) an einem rechteckigen Glaswassertank (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
    1. Montieren und verwenden Sie ein gepulstes Lasersystem (siehe Materialtabelle), um eine planare Lichtplatte zu erzeugen, die den Tank in der Mitte der Ebene mit einer bestimmten Frequenz (30 Hz) schneidet, wie in Abbildung 4 dargestellt.
    2. Montieren und verwenden Sie eine 4-MP-CCD-Kamera (charge-coupled device), die mit einem Objektiv (35 mm) und einem Longpass-Fluoreszenzfilter (560 nm) ausgestattet ist (siehe Materialtabelle).
    3. Kalibrieren Sie die Mikrometer-zu-Pixel-Konvertierung, indem Sie ein einzelnes Bild von der CCD-Kamera mit einem Lineal in der Laserblattebene aufnehmen (Abbildung 5). Wählen Sie zwei Positionen auf der Kamera und teilen Sie den Abstand in Mikrometern, indem Sie Pixel trennen. Stellen Sie sicher, dass dieses Mikrometer-zu-Pixel-Verhältnis klein genug (Submillimeter) für die Anwendung ist.
  2. Synchronisieren Sie die Laserpulse und Kamerabilder mit der Schlagflosse über Triggerausgänge der Finnensoftware und Signale von einem Verzögerungsgenerator und zugehöriger Software (siehe Tabelle der Materialien), um die Kamera, die Laserköpfe und die Flossenbewegung zu koordinieren. Siehe Ergänzende Abbildung 1 Ein Beispiel für die Schnittstelleneinstellungen der Delay-Generator-Software.
    1. Stellen Sie das Lasersystem ein.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass alle Laserschutzmaßnahmen den institutionellen Richtlinien entsprechen.
      1. Schalten Sie das Lasersystem ein, indem Sie die Einschalttaste nach rechts drehen, um den Kühler zu betreiben, der die Laserköpfe kühlt. Das Fehlerlicht blinkt, bis das System bereit ist, die Laser mit Strom zu versorgen. Drücken Sie den Netzschalter, der die Laser einschaltet, erst, wenn alle Lasermodi richtig eingestellt sind.
      2. Stellen Sie die Triggerquelle auf EXT LAMP/EXT Q-SW (externe Lampe/externer Q-Schalter ).
      3. Stellen Sie für beide Laserköpfe die Laserenergie auf das gewünschte Niveau ein (d. h. ca. 60% -80% der vollen Leistung) und stellen Sie sicher, dass der Q-Schalter durch Drücken jeder Q-Schaltertaste eingeschaltet ist.
      4. Schalten Sie die Laser ein, indem Sie den Netzschalter drücken.
        HINWEIS: Da die Triggerquelle auf EXT LAMP/EXT Q-SW EINGESTELLT IST, SIND DIE Laserköpfe feuerbereit, feuern aber erst, nachdem das System einen externen Auslöser von der Software erhalten hat.
    2. Stellen Sie die Kamera ein.
      1. Schließen Sie die Netzkabel an die Kamera an und stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß mit dem Computer und der Software verbunden sind.
      2. Öffnen Sie die Kameraeinstellungssoftware und wählen Sie den richtigen Anschluss aus.
        1. Legen Sie unter Trigger > Settings (Einstellungen für auslösen) "Trigger in:" auf External (Trigger in:) auf " Extern" und "Mode:" auf " Fast" (Schnell) zu setzen.
        2. Setzen Sie unter "Belichtung" die Option " Belichtungssteuerung" auf Aus.
      3. Öffnen Sie die Kameraaufnahmesoftware und wählen Sie die richtige Kamerakarte aus.
        1. Klicken Sie auf die Schaltfläche Grab Sequence.
        2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Aufnahmeeinstellungen , wählen Sie TIFF-Bilder, wählen Sie Serie von Frames ... und wählen Sie den gewünschten Dateipfad, 6-stellige Nummer, fortlaufend und Akzeptieren.
        3. Klicken Sie auf Aufnahme starten.
          HINWEIS: Da die Kameraeinstellungen auf einen externen Auslöser eingestellt sind, ist die Kamera bereit, Bilder zu sammeln, erfasst diese Bilder jedoch erst, nachdem das System einen externen Auslöser von der Software erhalten hat.
    3. Stellen Sie den Verzögerungsgenerator ein.
      1. Schalten Sie den Verzögerungsgenerator ein und verbinden Sie den externen Gate-Kanal mit dem Lamellenauslöser, die Kanäle A-D mit dem Laser (A: Laserkopf 1, B: Q-Schalter mit Laser 1, C: Laserkopf 2 und D: Q-Schalter mit Laser 2) und Kanal E mit der Kamera.
      2. Öffnen Sie die Verzögerungsgenerator-Software.
      3. Wählen Sie den "Pulsmodus" zum Bursten und "Systemauflösung" auf 4 ns.
      4. Setzen Sie die "Periode(n)" auf 0,033333352.
      5. Setzen Sie den "externen Trigger/Gate-Modus" auf Triggered, "threshold (v)" auf 0,20 und "trigger edge" als steigend.
      6. Klicken Sie auf Kanäle > Kanal A auf das Kontrollkästchen Aktiviert. Stellen Sie "Verzögerung(en)" auf 0,000000004, "Breite(n)" auf 0,005000000, "Amplitude (V)" auf 5,00, "Kanalmodus" auf Tastverhältnis, "Warteanzahl" auf 0, "Sync Source" auf T0, "Polarity" auf Normal, "Multiplexer" auf A, "Duty Cycle On" auf 1, "Duty Cycle Off" auf 1 und "Gate Mode" auf Disabled.
      7. Klicken Sie auf Kanäle > Kanal B auf das Kontrollkästchen Aktiviert. Stellen Sie "Verzögerung(en)" auf 0,000138000, "Breite(n)" auf 0,005000000, "Amplitude (V)" auf 5,00, "Kanalmodus" auf Tastverhältnis, "Warteanzahl" auf 0, "Sync Source" auf Ch A, "Polarität" auf Normal, "Multiplexer" auf B, "Duty Cycle On" auf 1, "Duty Cycle Off" auf 1 und "Gate Mode" auf Disabled.
      8. Klicken Sie auf Kanäle > Kanal C auf das Kontrollkästchen Aktiviert. Stellen Sie "Delay(s)" auf 0,033333304, "Width(s)" auf 0,005000000, "Amplitude (V)" auf 5.00, "Channel Mode" auf Duty Cycle, "Wait Count" auf 0, "Sync Source" auf Ch A, "Polarity" auf Normal, "Multiplexer" auf C, "Duty Cycle On" auf 1, "Duty Cycle Off" auf 1 und "Gate Mode" auf Disabled ein.
      9. Klicken Sie auf Kanäle > Kanal D auf das Kontrollkästchen Aktiviert. Stellen Sie "Delay(s)" auf 0,000138000, "Width(s)" auf 0,005000000, "Amplitude (V)" auf 5.00, "Channel Mode" auf Duty Cycle, "Wait Count" auf 0, "Sync Source" auf Ch C, "Polarity" auf Normal, "Multiplexer" auf D, "Duty Cycle On" auf 1, "Duty Cycle Off" auf 1 und "Gate Mode" auf Disabled.
      10. Klicken Sie auf Kanäle > Kanal E auf das Kontrollkästchen Aktiviert. Stellen Sie "Delay(s)" auf 0,000000004, "Width(s)" auf 0,005000000, "Amplitude (V)" auf 5.00, "Channel Mode" auf Normal, "Wait Count" auf 0, "Sync Source" auf T0, "Polarity" auf Normal, "Multiplexer" auf E und "Gate Mode" auf Disabled ein.
  3. Richten Sie die Flosse so aus, dass die Laserplatte an einer ausgewählten spanweisen Position durch einen akkordweisen Abschnitt der Flosse verläuft, und sichern Sie die Lamellenplattform mit dem Montagematerial.
  4. Schließen Sie die Stromversorgung an die Lamellensteuerungshardware und die Lamellenmotoren an (siehe Materialtabelle), um das Lamellenflattern mit der ausgewählten Kinematik zu beginnen und alle Umgebungslichter auszuschalten.
  5. Drücken Sie in der Verzögerungsgenerator-Software auf Ausführen , um die synchronisierten Experimente zu starten und Bilder des Schnittpunkts des Laserbogens mit der Finne während des gesamten Hubzyklus zu erfassen. Dies muss über 200+ Hubzyklen durchgeführt werden.
  6. Drücken Sie Stop in der Verzögerungsgenerator-Software und trennen Sie die Flosse von der Stromquelle.
  7. Bewegen Sie die Lamellenplattform so, dass sich die Laserplatte an einer neuen spanweisen Position kreuzt, und führen Sie Experimente durch, um die Bilder erneut zu erfassen. Wiederholen Sie die Schritte 2.3.-2.6. für die Anzahl der gewünschten Messungen (acht verschiedene Spannweitenpositionen, wie die schwarzen gestrichelten Linien in Abbildung 2A zeigen).
  8. Ersetzen Sie die Flosse durch zusätzliche gewünschte Lamellenmembranen (zwei Flossensteifigkeiten, PDMS 10:1 und PDMS 20:1) und wiederholen Sie die Experimente.

3. Bildanalyse

  1. Suchen Sie für jeden experimentellen Versuch, der in Schritt 2.4. durchgeführt wurde, die Datei, in der die Bilder gespeichert sind, und erstellen Sie einen Unterordner für jede Flossenposition oder Phase während des gesamten Hubzyklus. Sortieren Sie die Bilddateien in die entsprechenden Unterordner.
  2. Lesen Sie für jeden Finnphasen-Unterordner die 200+ Bilder als Pixel-Wert-Arrays (imread.m). Addieren Sie die Pixel-Wert-Arrays für alle Bilder und dividieren Sie sie durch die Anzahl der Bilder, um ein mittleres Bild zu erzeugen. Schreiben Sie das Bild in eine neue Datei (imwrite.m). Wiederholen Sie diesen Schritt für jede Lamellenposition während des gesamten Hubzyklus (30 Positionen).
  3. Führen Sie eine Histogrammverbesserung für jedes mittlere Bild durch (imadjust.m), um den dynamischen Intensitätsbereich der Bilder auf den vollen verfügbaren Bereich zu erweitern und den Kontrast zwischen Finne und Hintergrund zu verbessern.
  4. Legen Sie die Intensitätsschwellenwerte fest und binarisieren Sie jedes Bild, um ein Schwarz-Weiß-Bild (imbinarize.m) zu erhalten. Die resultierenden weißen Formen sollten Stücken des Flossenquerschnitts entsprechen.
  5. Extrahieren Sie alle weißen Objekte (Finnenstücke) aus dem binären Bild (bwareafilt.m) und zeigen Sie das Bild (imshow.m) an. Erstellen Sie eine Trace der binären Bildgrenze für jedes Bild, um eine 2D-Form zu erhalten, indem Sie alle Finnen (weiß) auswählen, die die Hintergrundpixel (schwarz) berühren (bwboundaries.m).
    HINWEIS: Aufgrund der auferlegten Lamellenkinematik kann die Ansicht des gemessenen PLIF-Querschnitts in einigen Rahmen durch einen anderen Teil der Flosse verdeckt werden. In solchen Fällen ist entweder keine kohärente Flossenform aus den Bildern ersichtlich, oder nur die Vorderkante (LE) bleibt sichtbar (Abbildung 6).
  6. Führen Sie die Schritte 3.1.-3.5 aus. für jeden Flossenquerschnitt.

4. Rekonstruktion der 3D-Durchbiegung

  1. Unter der Annahme, dass die LE-Position (zumindest näher an der Hubachse) in den flexiblen Fällen die gleiche ist wie die der LE in einer starren Flosse der gleichen Form, reihen Sie die Ebenenschnitte entlang ihrer LE für den gleichen Zeitschritt aus und vergleichen Sie sie mit den Ergebnissen der entsprechenden starren Lamellenform.
  2. Verwenden Sie eine Anpassung der kleinsten Quadrate, um die resultierende Mittellinienform des Lamellenquerschnitts für alle ebenen Schnitte anzunähern, und rekonstruieren Sie die 3D-Lamellenform mit einem vereinfachten Konvexrumpf aus diesen angepassten Profilen.
  3. Vergleichen Sie die resultierenden Lamellenformen mit 3D-FSI-Modellen (generiert aus ihren Mittellinien), um zu zeigen, wie dieser Prozess als High-Fidelity-Validierung verwendet werden kann.
    1. Erzeugen Sie eine Oberflächentriangulation der teilweise starren Nylon- und teilweise flexiblen PDMS-Lamelle.
    2. Verwenden Sie eine kommerzielle Strukturdynamiksoftware (siehe Materialtabelle), um die Eigenmoden des Hybridmaterials zu erhalten.
      1. Führen Sie Skalierungsstudien durch, um die stationäre Verschiebung unter Verwendung einer gleichmäßigen Druckdifferenz auf den Lamellenoberflächen anzupassen.
      2. Skalieren Sie die Modi so, dass sie der von der Software erhaltenen Verschiebung entsprechen.
    3. Verwenden Sie mit dem richtigen Skalierungsfaktor die ersten dominanten Modi (normalerweise 7 oder 8), die im gekoppelten FSI-Solver verwendet werden, um den instationären Fluss über die flexible Flosse zu simulieren.
      1. Behandeln Sie den Körper als eingebettetes Element in einem Hintergrundnetz.
        HINWEIS: Der gekoppelte Solver wurde für das Turek-Hron-Problem der Strömung über einen kreisförmigen Zylinder mit einem flexiblen Stachel an der Rückseitevalidiert 35 und für Flatterflossensimulationen36 erweitert.
      2. Verschreiben Sie die Kinematik der Flossenbewegung aus den Experimenten.
      3. Überwachen Sie die Zeithistorie der Krafterzeugung und die Form der Flosse entlang mehrerer ebener Schnitte während des Flatterzyklus und vergleichen Sie sie mit Experimenten.

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Ergebnisse

Eine trapezförmige, von Fischen inspirierte künstliche Brustflosse wurde aus zwei verschiedenen Materialien (PDMS 10: 1 und 20: 1, beide gemischt mit fluoreszierendem Farbstoff) aus einer Form gegossen, wobei jeweils ein starrer Vorderkantenholm in die führende Viertelsehne eingeführt wurde (Abbildung 2 und Abbildung 3). Die Zugprüfung der beiden Lamellenwerkstoffe (Abbildung 3) ergab Elastizitätsmodulen von 0,38 MPa bzw. 0,82...

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Diskussion

Planare laserinduzierte Fluoreszenz wird typischerweise verwendet, um wässrige Strömungen zu visualisieren, indem die Flüssigkeit mit Farbstoff ausgesät wird, der fluoresziert, wenn er einer Laserfolie25,26 ausgesetzt wird. Die Verwendung von PLIF zur Visualisierung von Verformungen in konformen Materialien wurde jedoch bisher nicht berichtet, und diese Studie beschreibt einen Ansatz zur Erfassung von Zeitverlaufsmessungen hochauflösender Formverformungen in...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Forschung wurde vom Office of Naval Research durch ein 6.2-Basisprogramm des US Naval Research Laboratory (NRL) unterstützt und durchgeführt, während Kaushik Sampath ein Mitarbeiter der Akustikabteilung am NRL war und Nicole Xu einen NRC Research Associateship Award in den Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics am NRL erhielt. Die Autoren danken Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) für seine technische Unterstützung und Anleitung.

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Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
ADMET controllerADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMicrocontroller for the fin hardware
Berkeley Nucleonics Delay GeneratorBerkeley Nucleonics CorpModel 525BNC delay generator and software
BobCat Cam ConfigImperxCamera settings software
CCD cameraImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncCommercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling
D646WP ServoHitec36646S32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation
D840WP ServoHitec36840S32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation
Electric Pink fluorescent pigmentSilc PigPMS812C
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system)QuantelEVG00070Laser head and power supply, 70 mJ
Force transducerADMETSM-10-96110 lbf load cell
FrameLink ExpressImperxCamera capture software
Longpass fluorescence filterEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksSoftware for image analysis
Planetary centrifugal mixerTHINKY MIXERAR-100
Silicone rubber compoundsMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D printer, polyjet
Universal testing machineADMETeXpert 2611Table top model
VeroBlackStratasys3D printer material to build the molds
VeroGrayStratasys3D printer material to build the molds

Referenzen

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