關(guān)天民,李兆璐,翟贇,雷蕾

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

可穿戴裝置發(fā)展迅速，可穿戴的產(chǎn)品也是多種多樣[1].科技的進(jìn)步讓穿戴裝置已經(jīng)不只是人類(lèi)的專利，動(dòng)物們也正佩戴著各種形式的穿戴裝置.在奶牛養(yǎng)殖工業(yè)中，穿戴裝置可有效監(jiān)測(cè)奶牛身體健康指數(shù)和預(yù)防疾病的發(fā)生[2];蛋雞佩戴一種裝置可用來(lái)觀察蛋雞在產(chǎn)蛋期間以及生病、死亡前后的溫度變化[3].鳥(niǎo)類(lèi)是空中的航行家，地球上大多數(shù)地方不管是峻嶺的高山還是一望無(wú)際的大海都會(huì)有鳥(niǎo)的身影.近幾年候鳥(niǎo)遷徙行為正在引起鳥(niǎo)類(lèi)專家的極大興趣，研究鳥(niǎo)類(lèi)遷徙行為就需要在鳥(niǎo)體表有效搭載飛行軌跡追蹤器.本文主要研究了鴿子追蹤器的放置位置以及設(shè)計(jì)擱置追蹤器裝置時(shí)需要考慮的三個(gè)工程問(wèn)題：空氣阻力、負(fù)載分布和體表散熱.

1 模擬鴿子飛行狀態(tài)下的風(fēng)壓分布

鴿子在飛行過(guò)程中受到的風(fēng)壓分布情況間接決定了負(fù)載位置的分布.摩擦阻力是指物體表面沿運(yùn)動(dòng)方向的空氣粘性切向力的分量[4]，鴿子的飛行速度較小，所以空氣的摩擦阻力可以忽略不計(jì).鴿子撲翼飛行速度為25～45 m/s，取中間值35 m/s作為流場(chǎng)仿真模擬時(shí)的飛行速度.首先對(duì)模型進(jìn)行三維掃描得到輪廓點(diǎn)云，采用非接觸式三維激光掃描儀(HandySCAN 700)采集模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù).該掃描儀測(cè)量速率為480 000 次/s，掃描區(qū)域275 mm×250 mm，外表輪廓可采用7束光交叉激光線掃描，細(xì)節(jié)輪廓可采用單束光反復(fù)掃描，掃描精度為0.03 mm.通過(guò)Geomagic Studio逆向軟件進(jìn)行非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小孔、小通道等問(wèn)題的修復(fù)并輸出1∶1比例的stl文件的模型.將修復(fù)好的模型導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分再通過(guò)FLUENT給予模型一個(gè)35 m/s的一維風(fēng)速進(jìn)行流場(chǎng)仿真，得到流場(chǎng)風(fēng)壓和風(fēng)速的分布圖，如圖1所示.

(a) 正視圖 (b) 側(cè)視圖

根據(jù)仿真結(jié)果分析，鴿子腹部位置以及靠近尾部的受力相對(duì)較小，不是直接迎風(fēng)部分，可以作為負(fù)載的位置，以減少額外產(chǎn)生的空氣阻力，背部是負(fù)載的首選位置.根據(jù)伯努利定理可推斷出背部放置負(fù)載后，再次減少了空氣流動(dòng)的橫截面積，流速會(huì)再次增加，相對(duì)升力也會(huì)提高，可減輕鴿子飛行時(shí)的負(fù)重感，但可能會(huì)對(duì)鴿子撲翼飛行的姿態(tài)和舒適度產(chǎn)生一定影響.結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)特性的流場(chǎng)風(fēng)壓與風(fēng)速的分布，對(duì)鴿子體表區(qū)域進(jìn)行劃分，對(duì)負(fù)載布局點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

2 鴿子負(fù)載后的重心變化

追蹤器裝置的放置理應(yīng)使負(fù)載后的重心與鴿子生命體自身重心在不同飛行姿態(tài)下要盡可能重合.當(dāng)負(fù)載重心與本體重心偏差較大時(shí)，會(huì)造成頭重腳輕或者頭輕腳重的問(wèn)題，可能會(huì)使其不愿飛行甚至無(wú)法飛行.重心的偏移問(wèn)題是候鳥(niǎo)可穿戴裝置設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題.

先將三維掃描儀提取的鴿子體表輪廓模型導(dǎo)入Solidworks軟件中進(jìn)行重心計(jì)算，導(dǎo)入的模型為封閉的幾何曲面，通過(guò)平行軸原理生成空間模型，黑白圓點(diǎn)的所示位置為重心，如圖2所示.將模型坐標(biāo)軸的原點(diǎn)設(shè)定為軟件系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)，質(zhì)量測(cè)量后顯示的重心為相對(duì)系統(tǒng)坐標(biāo)的重心.設(shè)置密度使模型重量、可穿戴裝置質(zhì)量、負(fù)載質(zhì)量與實(shí)際情況相同.

圖2 模型自身重心

可穿戴裝置為幾何平面，通過(guò)平行軸原理折疊生成空間模型，如圖3所示.通過(guò)上述流場(chǎng)分析得到背部位置以及腹部?jī)蓚?cè)為負(fù)載優(yōu)選位置，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載位置觀察重心變化來(lái)確定負(fù)載的最終搭載方式.

圖3 可穿戴裝置三維模型圖

通過(guò)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的分析初步?jīng)Q定負(fù)載位置在背部以及腹部?jī)蓚?cè)，選取可穿戴裝置與模型進(jìn)行裝配.由于要做負(fù)載位置的變化對(duì)整體重心的影響分析，故分別將負(fù)載裝配到可穿戴裝置上，以三重軸移動(dòng)來(lái)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，如圖4所示.

圖4 模型和可穿戴裝置結(jié)合圖

由于要考慮對(duì)稱性，所以背部負(fù)載的位置不能出現(xiàn)左右偏差，即背部負(fù)載只能沿X軸單方向移動(dòng)，先固定腹部?jī)蓚?cè)負(fù)載的位置，最初負(fù)載位置命名為1，如圖5所示. 以1重心坐標(biāo)為起點(diǎn)沿X軸正方向(即鴿子頭部到尾部的方向)以10 mm為單位進(jìn)行三次移動(dòng)得到2、 3、 4的重心位置坐標(biāo)，如表1所示.

表1 重心點(diǎn)坐標(biāo)

相比于背部，腹部?jī)蓚?cè)可以近似看作分別以X,Y軸單方向進(jìn)行移動(dòng)，采用相同的方法由于腹部?jī)蓚?cè)距離較短，故以5 mm為單位進(jìn)行三次移動(dòng)，初始位置的重心坐標(biāo)為上述4位置重心坐標(biāo)，如圖6所示.首先沿Y軸負(fù)方向(即從背部到腹部的方向)移動(dòng)，分別得到5、6、7的重心位置，重心點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示.再以4位置坐標(biāo)沿X軸正方向(即從頭部到尾部的方向)移動(dòng)，得到8、9、10的重心位置，重心點(diǎn)坐標(biāo)如表3所示.

圖6 腹部重心移動(dòng)起始位置

表2 重心點(diǎn)坐標(biāo)

表3 重心點(diǎn)的變化

結(jié)合背部以及腹部?jī)蓚?cè)負(fù)載移動(dòng)帶來(lái)的重心變化，考慮流場(chǎng)風(fēng)壓分析的結(jié)果，將背部中后區(qū)間定為負(fù)載位置布局區(qū)域.鴿子自身肌肉集中在身體中部的腹側(cè)，這對(duì)保持身體重心的穩(wěn)定，維持飛行時(shí)的平衡有重要意義，所以腹部負(fù)載位置布局在腹部?jī)蓚?cè)及腿部附近.

3 熱量散失

在自然界中，人們所能觀察或者感覺(jué)到的物體往往都會(huì)由于自然或者人為的原因而存在溫度差.熱量總是從高溫處自發(fā)地向低溫處進(jìn)行傳遞[5],運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越高，體溫上升的可能性就越大.候鳥(niǎo)缺少發(fā)達(dá)的汗腺，并且擁有比哺乳類(lèi)動(dòng)物更高的基礎(chǔ)代謝率，這就意味著哪怕在休息時(shí)，單位重量也會(huì)釋放出更多熱量.因此，自始至終候鳥(niǎo)的體感溫度維持在一個(gè)更高水平[6].候鳥(niǎo)在應(yīng)對(duì)外界高溫時(shí)，通常會(huì)選擇隨著太陽(yáng)位置的偏移而簡(jiǎn)單改變自己的身體朝向以減少陽(yáng)光直射.有時(shí)還會(huì)主動(dòng)豎起翼下和頭頂?shù)挠鹈?，或者將羽毛移開(kāi)，方便成片的皮膚外露，如此一來(lái)便可大幅提升空氣對(duì)流，借助風(fēng)力作用帶走身體產(chǎn)生的過(guò)多熱量.它們的皮膚裸露區(qū)域較少，卻有著單位面積更多熱量需要釋放，這一進(jìn)一出的不相匹配讓候鳥(niǎo)只能拼命以更快速度提升血液流動(dòng)[7].體溫升高之時(shí)血液會(huì)加速流通，特別是流向羽毛形成的裸露區(qū)域以及沒(méi)長(zhǎng)羽毛的眼部、腿部和嘴部.所以，可穿戴裝置所覆蓋的位置要避開(kāi)這些主要散熱部位才能保證候鳥(niǎo)的熱量釋放，不會(huì)使其積壓在候鳥(niǎo)羽毛與可穿戴裝置之間的空間當(dāng)中.

對(duì)搭載可穿戴裝置的鴿子體表進(jìn)行散熱模型的建立.假設(shè)熱量傳遞模型為一維穩(wěn)態(tài)，鴿子自身的導(dǎo)熱率與可穿戴裝置的導(dǎo)熱率不隨時(shí)間和溫度的變化產(chǎn)生變化.鴿子在飛行過(guò)程中，身體內(nèi)部產(chǎn)生熱量，在體表與可穿戴裝置的接觸過(guò)程中，需滿足單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入界面熱量的速率小于等于單位時(shí)間內(nèi)流出界面的熱量速率，否則熱量會(huì)在臨界面處積聚.

假設(shè)為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，模型定義X軸的正方向?yàn)轶w表曲面的法向，本模型旨在建立穿戴裝置所用材料的導(dǎo)熱率與材料厚度之間的函數(shù)關(guān)系，以滿足鴿子體表的熱平衡條件.通過(guò)幾何平面0-X0的距 離 為 生 命 體組織，X0-L的距離為材料的厚度，L處為假設(shè)穿戴裝置靠近環(huán)境一側(cè)的邊界條件為太陽(yáng)能和熱對(duì)流，X0為穿戴裝置和生命體組織接觸面的邊界條件為熱傳遞，如圖7所示.

圖7 體表散熱模型示意圖

鴿子自身內(nèi)部溫度大約為42 ℃，故設(shè)定邊界條件為T(mén)(0)=42 ℃.假設(shè)為大連地區(qū)的夏季，選取一個(gè)較高的環(huán)境溫度為35 ℃，即T∞2=35 ℃,鴿子飛行的過(guò)程中自身體表的溫度可達(dá)到38 ℃，即T(X0)=35 ℃，在此期間體表軀干的溫度梯度為1.5[8].鴿子自身皮膚的導(dǎo)熱率在0.23～0.488之間，計(jì)算取中間值0.35，對(duì)流換熱系數(shù)h=50 W/(m2·℃).投射到物體上而被吸收的熱輻射能與投射到物體上的總熱輻射能之比稱為該物體的吸收率.中午晴朗的天空下在垂直于太陽(yáng)束的平面上來(lái)自太陽(yáng)的熱量為q陽(yáng)光=1 000 W/m2，外側(cè)受到對(duì)流條件的影響，熱量傳遞的方向?yàn)閄軸負(fù)方向，定義體表與可穿戴裝置分界面處坐標(biāo)為X0，建立可穿戴裝置內(nèi)部沿法向的溫度分布微分方程為：

(1)

(2)

將微分方程與x值進(jìn)行一次積分，得：

(3)

其中C1是任意常數(shù).再積分一次，得到：

T(x)=C1x+C2

(4)

其中C1和C2是任意常數(shù).

T(0)=C2=T1=42 ℃

(5)

可以得到T(x)公式,即

T(x)=C1L+42 ℃或T(x)=C1L+315.15 K

(6)

界面的邊界條件是基于這樣的要求：①兩個(gè)熱量傳輸?shù)慕橘|(zhì)在接觸區(qū)域須具有相同的溫度；②不同介質(zhì)分界面不能儲(chǔ)存熱量，因此界面兩側(cè)的熱流必須是相同的.在X0處完全接觸的兩個(gè)物體A和B界面處的邊界條件可以表示為：

TA(x0)=TB(x0)

(7)

(8)

其中,KA和KB分別是鴿子自身的皮膚導(dǎo)熱率和可穿戴裝置采用材料的熱導(dǎo)率.將上述值代入邊界條件進(jìn)行計(jì)算：

-0.35×1.5=-k·C1

(9)

(10)

X=L的邊界條件是相當(dāng)普遍的，涉及傳導(dǎo)、對(duì)流和指定的熱流.故X=L處，外表面的邊界條件可以表示為

(11)

(12)

通過(guò)計(jì)算得出k(材料的導(dǎo)熱率)、α(材料的熱吸收率)和L(采用此材料時(shí)的厚度，mm)的函數(shù)關(guān)系為：

L=k(38.1α-13.35)

(13)

穿戴裝置厚度的增加會(huì)影響熱量的正常散失，當(dāng)熱量無(wú)法正常散失到體外時(shí)會(huì)造成熱量堆積從而對(duì)正常的生命活動(dòng)造成影響，所以可穿戴裝置在滿足結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的同時(shí)要盡可能地減少厚度.

本文選取了高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、橡膠、聚氨酯五種適于熔融沉積工藝制造的材料，按照函數(shù)關(guān)系式(13)計(jì)算出每種材料適合做可穿戴裝置的推薦厚度.當(dāng)實(shí)際成型厚度小于表4中的推薦厚度時(shí)，穿戴材料可滿足在散熱方面的生物相容性需求.

表4 選取不同3D打印材料所對(duì)應(yīng)的打印厚度

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鴿子飛行狀態(tài)下的流場(chǎng)模擬以及風(fēng)壓分布分析,初步確定了負(fù)載位置為三個(gè)，分別在背部和腹部?jī)蓚?cè).可穿戴裝置的空間重心與鴿子本體重心近似重合可以降低其對(duì)鴿子飛行能力的影響，負(fù)載重心偏移會(huì)導(dǎo)致鴿子在飛行中消耗過(guò)多的能量來(lái)維持平衡.雖然鴿子體表散熱不是主要散熱方式，但局部散熱能力較差時(shí)造成的熱量堆積也會(huì)影響正常生命活動(dòng).通過(guò)對(duì)體表散熱分析得出材料的導(dǎo)熱率和熱吸收率越大，可穿戴裝置正常散熱時(shí)厚度越厚.在選取具有較好導(dǎo)熱性能材料的同時(shí)要適當(dāng)調(diào)整可穿戴裝置的接觸面積與厚度.本文面向降低風(fēng)阻、提高穿戴舒適性等滿足生物相容性的實(shí)際工況需求，個(gè)性化定制了適用于鴿子的體外可穿戴裝置.下一步工作將從材料與結(jié)構(gòu)的輕量化方面考慮進(jìn)一步降低搭載平臺(tái)的總體重量，以減少負(fù)重對(duì)鴿子續(xù)航里程的影響.