關(guān)天民,李兆璐,翟贇,雷蕾

(大連交通大學 機械工程學院，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].科技的進步讓穿戴裝置已經(jīng)不只是人類的專利，動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)測奶牛身體健康指數(shù)和預防疾病的發(fā)生[2];蛋雞佩戴一種裝置可用來觀察蛋雞在產(chǎn)蛋期間以及生病、死亡前后的溫度變化[3].鳥類是空中的航行家，地球上大多數(shù)地方不管是峻嶺的高山還是一望無際的大海都會有鳥的身影.近幾年候鳥遷徙行為正在引起鳥類專家的極大興趣，研究鳥類遷徙行為就需要在鳥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)計擱置追蹤器裝置時需要考慮的三個工程問題：空氣阻力、負載分布和體表散熱.

1 模擬鴿子飛行狀態(tài)下的風壓分布

鴿子在飛行過程中受到的風壓分布情況間接決定了負載位置的分布.摩擦阻力是指物體表面沿運動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.鴿子撲翼飛行速度為25～45 m/s，取中間值35 m/s作為流場仿真模擬時的飛行速度.首先對模型進行三維掃描得到輪廓點云，采用非接觸式三維激光掃描儀(HandySCAN 700)采集模型的點云數(shù)據(jù).該掃描儀測量速率為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，細節(jié)輪廓可采用單束光反復掃描，掃描精度為0.03 mm.通過Geomagic Studio逆向軟件進行非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小孔、小通道等問題的修復并輸出1∶1比例的stl文件的模型.將修復好的模型導入ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分再通過FLUENT給予模型一個35 m/s的一維風速進行流場仿真，得到流場風壓和風速的分布圖，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較小，不是直接迎風部分，可以作為負載的位置，以減少額外產(chǎn)生的空氣阻力，背部是負載的首選位置.根據(jù)伯努利定理可推斷出背部放置負載后，再次減少了空氣流動的橫截面積，流速會再次增加，相對升力也會提高，可減輕鴿子飛行時的負重感，但可能會對鴿子撲翼飛行的姿態(tài)和舒適度產(chǎn)生一定影響.結(jié)合空氣動力學特性的流場風壓與風速的分布，對鴿子體表區(qū)域進行劃分，對負載布局點進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)低風阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

2 鴿子負載后的重心變化

追蹤器裝置的放置理應使負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.當負載重心與本體重心偏差較大時，會造成頭重腳輕或者頭輕腳重的問題，可能會使其不愿飛行甚至無法飛行.重心的偏移問題是候鳥可穿戴裝置設(shè)計的首要問題.

先將三維掃描儀提取的鴿子體表輪廓模型導入Solidworks軟件中進行重心計算，導入的模型為封閉的幾何曲面，通過平行軸原理生成空間模型，黑白圓點的所示位置為重心，如圖2所示.將模型坐標軸的原點設(shè)定為軟件系統(tǒng)坐標原點，質(zhì)量測量后顯示的重心為相對系統(tǒng)坐標的重心.設(shè)置密度使模型重量、可穿戴裝置質(zhì)量、負載質(zhì)量與實際情況相同.

圖2 模型自身重心

可穿戴裝置為幾何平面，通過平行軸原理折疊生成空間模型，如圖3所示.通過上述流場分析得到背部位置以及腹部兩側(cè)為負載優(yōu)選位置，通過調(diào)節(jié)負載位置觀察重心變化來確定負載的最終搭載方式.

圖3 可穿戴裝置三維模型圖

通過對空氣動力學的分析初步?jīng)Q定負載位置在背部以及腹部兩側(cè)，選取可穿戴裝置與模型進行裝配.由于要做負載位置的變化對整體重心的影響分析，故分別將負載裝配到可穿戴裝置上，以三重軸移動來進行細微的調(diào)整，如圖4所示.

圖4 模型和可穿戴裝置結(jié)合圖

由于要考慮對稱性，所以背部負載的位置不能出現(xiàn)左右偏差，即背部負載只能沿X軸單方向移動，先固定腹部兩側(cè)負載的位置，最初負載位置命名為1，如圖5所示. 以1重心坐標為起點沿X軸正方向(即鴿子頭部到尾部的方向)以10 mm為單位進行三次移動得到2、 3、 4的重心位置坐標，如表1所示.

表1 重心點坐標

相比于背部，腹部兩側(cè)可以近似看作分別以X,Y軸單方向進行移動，采用相同的方法由于腹部兩側(cè)距離較短，故以5 mm為單位進行三次移動，初始位置的重心坐標為上述4位置重心坐標，如圖6所示.首先沿Y軸負方向(即從背部到腹部的方向)移動，分別得到5、6、7的重心位置，重心點坐標如表2所示.再以4位置坐標沿X軸正方向(即從頭部到尾部的方向)移動，得到8、9、10的重心位置，重心點坐標如表3所示.

圖6 腹部重心移動起始位置

表2 重心點坐標

表3 重心點的變化

結(jié)合背部以及腹部兩側(cè)負載移動帶來的重心變化，考慮流場風壓分析的結(jié)果，將背部中后區(qū)間定為負載位置布局區(qū)域.鴿子自身肌肉集中在身體中部的腹側(cè)，這對保持身體重心的穩(wěn)定，維持飛行時的平衡有重要意義，所以腹部負載位置布局在腹部兩側(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到的物體往往都會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)地向低溫處進行傳遞[5],運動強度越高，體溫上升的可能性就越大.候鳥缺少發(fā)達的汗腺，并且擁有比哺乳類動物更高的基礎(chǔ)代謝率，這就意味著哪怕在休息時，單位重量也會釋放出更多熱量.因此，自始至終候鳥的體感溫度維持在一個更高水平[6].候鳥在應對外界高溫時，通常會選擇隨著太陽位置的偏移而簡單改變自己的身體朝向以減少陽光直射.有時還會主動豎起翼下和頭頂?shù)挠鹈蛘邔⒂鹈崎_，方便成片的皮膚外露，如此一來便可大幅提升空氣對流，借助風力作用帶走身體產(chǎn)生的過多熱量.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，這一進一出的不相匹配讓候鳥只能拼命以更快速度提升血液流動[7].體溫升高之時血液會加速流通，特別是流向羽毛形成的裸露區(qū)域以及沒長羽毛的眼部、腿部和嘴部.所以，可穿戴裝置所覆蓋的位置要避開這些主要散熱部位才能保證候鳥的熱量釋放，不會使其積壓在候鳥羽毛與可穿戴裝置之間的空間當中.

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

假設(shè)為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程，模型定義X軸的正方向為體表曲面的法向，本模型旨在建立穿戴裝置所用材料的導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)的邊界條件為太陽能和熱對流，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(0)=42 ℃.假設(shè)為大連地區(qū)的夏季，選取一個較高的環(huán)境溫度為35 ℃，即T∞2=35 ℃,鴿子飛行的過程中自身體表的溫度可達到38 ℃，即T(X0)=35 ℃，在此期間體表軀干的溫度梯度為1.5[8].鴿子自身皮膚的導熱率在0.23～0.488之間，計算取中間值0.35，對流換熱系數(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束的平面上來自太陽的熱量為q陽光=1 000 W/m2，外側(cè)受到對流條件的影響，熱量傳遞的方向為X軸負方向，定義體表與可穿戴裝置分界面處坐標為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熱率和可穿戴裝置采用材料的熱導率.將上述值代入邊界條件進行計算：

-0.35×1.5=-k·C1

(9)

(10)

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

(11)

(12)

通過計算得出k(材料的導熱率)、α(材料的熱吸收率)和L(采用此材料時的厚度，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影響熱量的正常散失，當熱量無法正常散失到體外時會造成熱量堆積從而對正常的生命活動造成影響，所以可穿戴裝置在滿足結(jié)構(gòu)抗拉強度的同時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)計算出每種材料適合做可穿戴裝置的推薦厚度.當實際成型厚度小于表4中的推薦厚度時，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打印材料所對應的打印厚度

4 結(jié)論

通過對鴿子飛行狀態(tài)下的流場模擬以及風壓分布分析,初步確定了負載位置為三個，分別在背部和腹部兩側(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鴿子飛行能力的影響，負載重心偏移會導致鴿子在飛行中消耗過多的能量來維持平衡.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造成的熱量堆積也會影響正常生命活動.通過對體表散熱分析得出材料的導熱率和熱吸收率越大，可穿戴裝置正常散熱時厚度越厚.在選取具有較好導熱性能材料的同時要適當調(diào)整可穿戴裝置的接觸面積與厚度.本文面向降低風阻、提高穿戴舒適性等滿足生物相容性的實際工況需求，個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一步降低搭載平臺的總體重量，以減少負重對鴿子續(xù)航里程的影響.