基于仿生学原理的滑翔式水翼艇模型设计∗

常军然，谢 崟，王 凡

（江西理工大学应用科学学院，江西赣州 341000）

基于仿生学原理的滑翔式水翼艇模型设计∗

常军然，谢 崟，王 凡

（江西理工大学应用科学学院，江西赣州 341000）

为丰富水上运动项目，增加其娱乐性和竞技性，设计了一款单人驾驶的滑翔式水翼艇模型。基于飞鱼可实现滑翔的启发，利用仿生学原理，采用形态仿生和结构仿生相结合的理念，对水翼艇进行了外形和结构设计。并对其主要零部件的外形和安装位置进行详细说明，生成了3D模型图。依据设计结果，制作了简易模型，并进行水面航行试验，跳跃效果良好。该试验结果，可为进一步研制载人水上跳跃装置提供设计依据。

仿生设计；飞鱼；水翼艇；滑翔；模型

1 引 言

在现代航运事业发展要求和军事用途的驱动下，各种高性能的船舶相继问世［1］。建立在“打水飘”原理上的滑行艇，冲破了数千年来阿基米德类船舶概念的束缚，揭开了高性能船开发的序幕。其后水翼船、气垫船、地效翼船、高速双体船、穿浪船和小水线面船等的研制和应用，不断刷新着水上交通工具的速度和性能。

船舶作为水上运载工具，必须具备以下四个功能：①支承性：能在水上或水下支承重量；②稳定性：经得起一定程度的扰动；③运动性：运载工具必须能作规定运动；④可控性：对运动具有一定的控制能力。

大型船舶由于承载能力大、结构复杂，对结构和运动稳定性要求高，在设计方面要考虑的因素也很多。而水上运动装备就相对简单，冲浪、帆船、水上摩托等都是人们所钟爱的水上极限运动，驾驶者充分利用自身的高超技巧和平衡能力驾驭装备、搏击海浪，这些项目有很强的竞技性和娱乐性。笔者借鉴滑行艇和水翼船的设计过程［2－3］，基于飞鱼运动特性和仿生学原理，提出了滑翔式水翼艇的设计概念。该装置主要用于单人驾驶，在水面上实现跳跃、滑翔、行进，进行娱乐或竞技比赛。

2 设计依据

飞鱼以能飞而著名，如图1所示。飞鱼不是飞翔，而只是滑翔。飞鱼在水下加速，把胸鳍张开，尚在水中的尾部快速拍击，从而获得额外推力，等力量足够时，尾部完全跃出水，以每小时16 km的速度滑翔於水面上方。它能跃出水面十几米，空中停留的最长时间是40多秒，飞行的最远距离有400多米。飞鱼利用自身条件控制胸鳍，改变水翼上升迎角，在短时间内获得极大的上升力，实现飞跃。

图1 飞鱼

水翼即水中运动的机翼，它与机翼在空气中运动一样能产生举力。水的密度约为空气密度的800倍，同样外形和运动状态的水翼，其升力比飞机机翼的升力约大800倍。水翼船就是利用水翼的这种特性把船体托出水面，使流体阻力大为减小的水上运动工具［4－5］，多用于大型军事舰艇或内河客运。滑行艇在水面上高速运动时，只有部分艇底与水接触，整个船体处于滑行状态，阻力降低显著。多用于军用快艇和其他高速艇，如鱼雷艇、导弹艇和摩托艇等。

3 3D模型设计

3.1 结构原理

基于飞鱼的身体外形和运动特性，坚持形态仿生和结构仿生相结合的理念［6－7］，利用SolidWorks软件和虚拟样机技术［8］，设计了滑翔式水翼艇模型，如图2所示。船体1呈流水线型，船舱中设控制台3和单人座椅5，为了安全装有安全罩2，可避免驾驶者被淋湿或落水。螺旋桨7后置，装在船体两侧尾翼处，相当于飞鱼的尾巴，可提供强大的动力。可控水翼4安装在船体正下方，低速行驶时，水翼深入水面下方，呈水平状态（见图3），以减小运动阻力；加速过程中，在船体的水翼的“托举”作用下，升到水体表面作高速航行，此时通过控制液压活塞杆6，使水翼尾部下移，与水平面呈一定升角（见图4），产生静海冲浪效果，水翼艇跃起离开水面。水翼艇在空中滑翔一段距离后，因重力作用落入水中，水翼复位完成一次跳跃。

图2 水翼艇结构图

图3 水翼水平状态

图4 水翼升角状态

3.2 水翼外形设计

水翼的形状呈鱼侧形，前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，如图5所示。当气流迎面流过水翼时，水流线性分布情况如图6所示，原来是一股水流，由于水翼的插入被分成上下两股。通过水翼后，在后缘又重合成一股。由于水翼上表面拱起，使上方水流通道变窄，流速加快。根据伯努利原理可知，流速大的地方压强小。水翼上方的压强比水翼下方的压强小，也就是说，水翼下表面受到向上的压力比水翼上表面受到向下的压力要大，该个压力差就是水翼产生的升力。

图5 水翼外形

图6 水翼周围水流线性分布图

3.3 尾翼的设计

船体在运动过程中会因各种干扰（如风浪等）而偏离原来姿态。尾翼具有恢复船体原有姿态的能力［7－8］，对船体起纵向稳定作用。在设计中，采用水平尾翼9加垂直尾翼8结构如图2所示，水平尾翼对称布置在船体尾部两侧处，就好比飞鱼的尾鳍，起平衡作用。在两水平尾翼中间设有垂直尾翼，垂直尾翼可保持船体转弯在无侧滑状态下进行。

3.4 驱动装置设计

水翼艇驱动装置采用水平双驱，2个螺旋桨水平安装在船体尾部左右两侧，如图7所示。船体运行中，调节2个发动机的转速只造成水平扭矩改变，不影响纵向扭矩，不易使船体侧翻造成沉没，运行平稳。船体转向时只需要控制2个发动机的转速就可实现，无需其他辅助机构，这样大大提高了装置的整体刚度。

图7 水平双驱螺旋桨

4 模型制作和性能试验

依上述设计制作水翼艇试验模型，如图8所示。该模型在制作过程中为解决复杂曲面难以成型和加工可行性问题，对水翼艇外形做了简化，采用PVC水管制作船体和发动仓。树脂板成型性好，用来制作可控水翼；采用锂电池和电动机做动力源；所有电子元件装入船体，加盖用玻璃胶实现密封。采用弹簧机构实现水翼摆动，初始状态水翼与船体保持平行，通过无线遥控系统控制电机，使水翼艇增速，当达到一定速度时，舵机收线，经过滑轮的拉动开关，水翼弹开，水翼艇实现跳跃。

图8 水翼艇试验模型机

图9 水翼艇跳跃滑翔瞬间图

通过试验，该模型的跳跃效果良好，图9为水翼艇跳跃脱离水面的瞬间。该作品参加了2012年江西省机械创新设计大赛，获得三等奖。

5 结 语

根据飞鱼的身体外形和运动特点，利用仿生学原理和三维设计软件，对水翼艇的结构和外形进行详细设计，并生成3D模型。利用学校现有加工条件，简单试制了水翼艇试验模型，经调试最终实现船体的水面跳跃和滑翔功能。由于对流体力学知识的不足，本文不涉及复杂力学特性的计算，对载人应用也没有提供足够的设计计算，但滑翔式水翼艇模型的设计，可为进一步研制载人水上跳跃装置提供设计依据。

［1］ 柳卫东，裘泳铭，朱美琪.国外复合船型研究发展状况和趋势［J］.武汉交通科技大学学报，2000，6 24（3）：294－300.

［2］ 王绪明，苏 健.自控水翼阻流助升超高速双体船设计研究［J］船舶工程，2009，4（31）：4－8.

［3］ 唐义虎.水翼游艇设计探讨［J］.重庆交通学院学报，2004，4（23）：128－133.

［4］ 唐义虎.水翼艇翼航时稳性探讨［J］.船舶工程，2006，4（28）：46－48.

［5］ 周俊麟，董祖舜，董文才.水翼艇性能的小系列试验研究［J］.船舶，2004，4（2）：15－19.

［6］ 陈 为.工业设计中仿生设计的应用［J］.机械研究与应用，2003（12）：9－12.

［7］ 何建慧，章永华.基于形状记忆合金驱动的仿生鲫鱼尾鳍的设计和分析［J］.工程设计学报，2012，19（1）：9－15.

［8］ 高 利，迟毅林，曾谢华.虚拟产品开发中的虚拟样机技术和数字样机技术［J］.机械研究与应用，2005（10）：6－7.

Model Design of Glide Hydrofoil based on Bionics Principle

CHANG Jun－ran，XIE Yin，WANG Fan

（Faculty of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China）

A model of glide hydrofoil for one man is designed in order to enrich water sports and increase entertainment，com⁃petitiveness.Firstly，inspired by flying fish gliding，the shape and constructure of hydrofoil is designed based on design con⁃cept of combining shape and structure bionics.Then，the shapes of main components and its installation positions are descriped in more detail，and the 3D model figure is generated.Finally，simple model of glide hydrofoil is made on the basis of design results，surface navigation test is carried out，and test result showed that jump effect of glide hydrofoil model is good.Results of the model test offer reference for the design of manned－jumping device.

bionics design；flying fish；hydrofoil；gliding；model

TH122；TB21

A

1007－4414（2013）04－0136－03

2013－06－03

常军然（1979－），女，河北石家庄人，硕士，讲师，主要从事机械设计及理论方面的研究和教学工作。