專利名稱：一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，屬于仿生減阻技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鯊魚等水下低阻軟骨魚為人類處理日益嚴(yán)峻的能源問題提供了有效的解決方案。鯊魚皮的減阻率在15%以上，其表皮鱗片是一種特殊的鱗片類型，稱為盾鱗(placoid scale)。盾鱗呈菱形連續(xù)鋪排，單個盾鱗由基板和鱗棘兩部分組成，基板是一塊埋于皮膚內(nèi)的骨質(zhì)板，基板上面是呈釉質(zhì)(顯微硬度在300 350HV)且向后傾斜伸出于皮膚之外的鱗棘，鱗棘間有平滑的圓谷狀溝槽，依鯊魚種類不同其溝槽寬度在30Mm 120Mm。研究表明， 低阻高速軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓的形狀對于其自身的這種高效減阻效能起到?jīng)Q定性作用。因此，模仿水下低阻軟骨魚表皮盾鱗溝槽微觀形貌、制造高逼真仿生減阻表面對于降低航行器的流體阻力、提高速度和機(jī)動性、增大航程具有重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)前，考慮到加工方法和加工成本，圍繞鯊魚皮等水下低阻軟骨魚表皮的仿生制造主要是將生物原型溝槽結(jié)構(gòu)抽象、簡化、放大為V形、梯形、L形等多種形式的溝槽，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿形加工。但采用上述方式制造出的仿生減阻表皮在功能上顯然不能與生物原型相比擬。伴隨高精度、高分辨率數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)械加工手段制造出高逼真仿生減阻表面已成為可能。為了給上述高性能數(shù)控加工設(shè)備提供數(shù)字化構(gòu)形數(shù)據(jù)來源， 需要建立軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的數(shù)學(xué)模型。而目前尚未見到針對軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓進(jìn)行曲線建模方法研究的報道，這直接阻礙了高逼真仿生減阻表面的數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，該建模方法先通過生物表皮取樣及預(yù)處理，將原軟骨魚表皮制成軟骨魚表皮干燥樣本；進(jìn)而借助生物樣本表面輪廓掃描與成像，獲取軟骨魚表皮樣本表面輪廓圖像；然后通過三維盾鱗溝槽生物原型模型提取，獲取軟骨魚表皮樣本上盾鱗溝槽的三維立體圖像；第三步借助二維盾鱗溝槽截面輪廓曲線提取，獲取軟骨魚表皮樣本上盾鱗溝槽生物原型的截面輪廓曲線；最后通過盾鱗溝槽截面輪廓曲線模型建立，最終得到軟骨魚表皮樣本上盾鱗溝槽截面輪廓曲線的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明建立軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線數(shù)學(xué)模型的方法，其優(yōu)點在于(1)對原軟骨魚表皮采用框架加固并進(jìn)行清洗、固化、脫水、干燥等預(yù)處理，未破壞生物原型形貌， 其原型結(jié)構(gòu)完好率在97%以上；(2)借助高精度表面輪廓儀對軟骨魚表皮樣本進(jìn)行表面輪廓掃描和成像，其最大分辨率達(dá)I Mm、最高定位精度達(dá)0. 5 um；(3)所建立的數(shù)學(xué)模型與生物原型的擬合程度較高，相關(guān)系數(shù)的平方值R2在0. 95以上；(4)采用本發(fā)明方法建立的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線數(shù)學(xué)模型，可以作為數(shù)控加工設(shè)備制造高逼真仿生減阻表面的數(shù)據(jù)來源。


圖I是本發(fā)明建立軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線數(shù)學(xué)模型的方法流程框圖。圖2是本發(fā)明進(jìn)行表面輪廓掃描時軟骨魚表皮樣本在工作臺上的放置示意圖。圖3是本發(fā)明實施例獲取的短尾真鯊表皮樣本表面輪廓掃描照片。圖4是本發(fā)明實施例截取的短尾真鯊盾鱗溝槽的三維立體圖像。圖5是本發(fā)明實施例獲取的短尾真鯊盾鱗溝槽的二維截面輪廓曲線。圖6A是本發(fā)明實施例建立的短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線AB段模型。圖6B是本發(fā)明實施例建立的短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線AC段模型。圖中I、軟骨魚表皮樣本2、輪廓儀工作臺3、輪廓儀掃描觸針
4、溝槽原型截取區(qū)域 5、AB段溝槽原型截面輪廓曲線6、AC段溝槽原型截面輪廓曲線。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖I所示，本發(fā)明是一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，包括有下列步驟。第一步生物表皮取樣及預(yù)處理。(A)將購入的原軟骨魚表皮裁取一定面積經(jīng)去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的原軟骨魚表皮在2. 5%戊二醛溶液中化學(xué)固定6 8h，化學(xué)固定溫度0 4°C，制得固定表皮樣本。(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定表皮樣本采用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的固定表皮樣本依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度75%乙醇溶液中脫水 20 30min、濃度95%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度100%乙醇溶液中脫水20 30min， 制得脫水表皮樣本。(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水表皮樣本在50 70°C條件下烘8 12h，制得含水率5 10%的干燥表皮樣本。為防止軟骨魚表皮樣本皺縮和翹曲，將原軟骨魚表皮四周繃在一夾具上，所述夾具為常用的相框式框架。在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中均采用了框架式夾具，能夠使軟骨魚表皮樣本保持平整。 所述的原軟骨魚表皮可以是短尾真鯊魚皮、闊口真鯊魚皮或者黑印真鯊魚皮等。此步驟的目的是保持原軟骨魚表皮原型結(jié)構(gòu)，防止組織細(xì)胞發(fā)生腐敗分解，并增加其硬度和強(qiáng)度。第二步生物樣本表面輪廓掃描與成像。(A)將第一步制得的軟骨魚干燥表皮樣本放在生物顯微鏡下觀察，并利用記號筆在軟骨魚干燥表皮樣本上標(biāo)示出盾鱗的溝槽方向。(B)將經(jīng)(A)步驟標(biāo)記后的軟骨魚表皮樣本I用雙面膠固定在觸針式表面輪廓儀的工作臺2上，保持輪廓儀掃描觸針3的往復(fù)運動方向與軟骨魚盾鱗的溝槽方向相垂直(參見圖2所示)。(C)設(shè)置輪廓儀順溝槽方向和垂直溝槽方向的掃描長度分別為200Mm 800Mm，設(shè)置輪廓儀順溝槽方向的掃描點數(shù)為200 400、垂直溝槽方向的掃描點數(shù)為600 1000，掃描完畢后變換掃描區(qū)域重復(fù)掃描3 5次。(D)從經(jīng)(C)步驟掃描后自動生成的掃描圖像中選擇清晰無噪點的圖像，獲得軟骨魚表皮樣本I的表面輪廓圖像(參見圖3所示)。第三步三維盾鱗溝槽生物原型模型提取。(A)在第二步制得的軟骨魚表皮樣本I表面輪廓圖像中選取出單個完整盾鱗，并在該盾鱗上劃定矩形區(qū)域4以涵蓋軟骨魚盾鱗溝槽的主體結(jié)構(gòu)(參見圖3所示)。(B)利用輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像處理軟件對經(jīng)(A)步驟劃定的矩形區(qū)域4進(jìn)行垂直截取，截取出軟骨魚盾鱗溝槽的三維立體圖像(參見圖4所示)。所述矩形區(qū)域要包含軟骨魚盾鱗鱗棘上的中心脊和兩側(cè)副脊，且矩形區(qū)域4的一條長邊要垂直于盾鱗溝槽方向。第四步二維盾鱗溝槽截面輪廓曲線提取。將第三步制得的軟骨魚盾鱗溝槽三維立體圖像借助輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像進(jìn)行截面顯示處理，得到二維軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線(參見圖5所示)。第五步盾鱗溝槽截面輪廓曲線模型建立。(A)將第四步制得的二維軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線進(jìn)行分段化處理，即將關(guān)于中心脊對稱的兩個溝槽中的一個分為段5和段6，其中段5從溝槽谷底到中心脊峰頂(參見圖5中的AB段)，段6從溝槽谷底到副脊峰頂(參見圖5中的AC段)。(B)在經(jīng)(A)步驟劃分的段5曲線上等間距選取一定數(shù)量的采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3 5階多項式擬合，便得到軟骨魚盾鱗溝槽該段截面曲線的數(shù)學(xué)模型。(C)在經(jīng)(A)步驟劃分的段6曲線上等間距選取一定數(shù)量的采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3 5階多項式擬合，便得到軟骨魚盾鱗溝槽該段截面曲線的數(shù)學(xué)模型。實施例
一種短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法。參見圖I所示，本發(fā)明是一種短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，包括有下列步驟。第一步生物表皮取樣及預(yù)處理。(A)將購入的原短尾真鯊表皮裁取成6 cm X6 Cm的大小，先用去離子水清洗5次， 然后將洗凈的原短尾真鯊表皮在2. 5%戊二醛溶液中化學(xué)固定8h，化學(xué)固定溫度4°C，制得固定表皮樣本。(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定表皮樣本采用去離子水清洗5次，然后將洗凈的固定表皮樣本依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水30min、濃度75%乙醇溶液中脫水30min、濃度 95%乙醇溶液中脫水30min、濃度100%乙醇溶液中脫水30min，制得脫水表皮樣本。(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水表皮樣本在70°C條件下烘12h，制得含水率10%的干燥表皮樣本。
為防止短尾真鯊表皮樣本皺縮和翹曲，將原短尾真鯊表皮四周繃在一夾具上，所述夾具為常用的相框式框架。在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中均采用了框架式夾具，能夠使短尾真鯊表皮樣本保持平整。此步驟的目的是保持原短尾真鯊表皮原型結(jié)構(gòu)，防止組織細(xì)胞發(fā)生腐敗分解，并增加其硬度和強(qiáng)度。第二步生物樣本表面輪廓掃描與成像。(A)將第一步制得的短尾真鯊干燥表皮樣本放在生物顯微鏡下觀察，并利用記號筆在短尾真鯊干燥表皮樣本上標(biāo)示出盾鱗的溝槽方向。(B)將經(jīng)(A)步驟標(biāo)記后的短尾真鯊表皮樣本I用雙面膠固定在觸針式表面輪廓儀的工作臺2上，保持輪廓儀掃描觸針3的往復(fù)運動方向與短尾真鯊盾鱗的溝槽方向相垂直(參見圖2所示)。(C)設(shè)置輪廓儀順溝槽方向的掃描長度為300Mm、垂直溝槽方向的掃描長度為 400Mm，設(shè)置輪廓儀順溝槽方向的掃描點數(shù)為200、垂直溝槽方向的掃描點數(shù)為1000，掃描完畢后變換掃描區(qū)域重復(fù)掃描5次。(D)從經(jīng)(C)步驟掃描后自動生成的掃描圖像中選擇清晰無噪點的圖像，獲得短尾真鯊表皮樣本的表面輪廓圖像(參見圖3所示)。第三步三維盾鱗溝槽生物原型模型提取。(A)在第二步制得的短尾真鯊表皮樣本表面輪廓圖像中選取出單個完整盾鱗，并在該盾鱗上劃定矩形區(qū)域4以涵蓋短尾真鯊盾鱗溝槽的主體結(jié)構(gòu)(參見圖3所示)。(B)利用輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像處理軟件對經(jīng)(A)步驟劃定的矩形區(qū)域4進(jìn)行垂直截取，截取出短尾真鯊盾鱗溝槽的三維立體圖像(參見圖4所示)。所述矩形區(qū)域包含短尾真鯊盾鱗鱗棘上的中心脊和兩側(cè)副脊，且矩形區(qū)域4的一條長邊垂直于盾鱗溝槽方向。第四步二維盾鱗溝槽截面輪廓曲線提取。將第三步制得的短尾真鯊盾鱗溝槽三維立體圖像借助輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像進(jìn)行截面顯示處理，得到二維短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線(參見圖5所示)。第五步盾鱗溝槽截面輪廓曲線模型建立。(A)將第四步制得的二維短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓曲線進(jìn)行分段化處理，即將關(guān)于中心脊對稱的兩個溝槽中的一個分為段5和段6，其中段5從溝槽谷底到中心脊峰頂 (參見圖5中的AB段)，段6從溝槽谷底到副脊峰頂(參見圖5中的AC段)。(B)在經(jīng)(A)步驟劃分的段5曲線上等間距選取6個采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3階多項式擬合，得到短尾真鯊盾鱗溝槽段5截面曲線的數(shù)學(xué)模型(模型曲線參見圖6A)，其表達(dá)式為
f站(X) = -O.OOOSx3 +0.0393a-2 - H 1313a- +5.1921。(C)在經(jīng)(A)步驟劃分的段6曲線上等間距選取6個采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3階多項式擬合，得到短尾真鯊盾鱗溝槽段6截面曲線的數(shù)學(xué)模型(模型曲線參見圖6B)，其表達(dá)式為
fAC(x) = 0.00 Ilxi - 0.0393x2 - 0.2997x +13.2730。
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經(jīng)計算，所述兩個模型/e(x)和/ 其相關(guān)系數(shù)的平方值R2分別為0. 96和
0. 98。從短尾真鯊盾鱗溝槽截面輪廓的兩個分段模型曲線也可以看出，所建立的數(shù)學(xué)模型均與生物原型保持較高的擬合程度。此外，鑒于軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓所具有的對稱性結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)所述的兩個分段曲線所建立的兩個數(shù)學(xué)模型可以作為數(shù)控加工設(shè)備制造高逼真仿鯊魚減阻表面的數(shù)據(jù)來源。
權(quán)利要求
1.一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于包括有下列步驟第一步生物表皮取樣及預(yù)處理(A)將購入的原軟骨魚表皮裁取一定面積經(jīng)去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的原軟骨魚表皮在2. 5%戊二醛溶液中化學(xué)固定6 8h，化學(xué)固定溫度O 4°C，制得固定表皮樣本；(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定表皮樣本采用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的固定表皮樣本依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度75%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度95%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度100%乙醇溶液中脫水20 30min，制得脫水表皮樣本；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水表皮樣本在50 70°C條件下烘8 12h，制得含水率5 10%的干燥表皮樣本；第二步生物樣本表面輪廓掃描與成像(A)將第一步制得的軟骨魚干燥表皮樣本放在生物顯微鏡下觀察，并利用記號筆在軟骨魚干燥表皮樣本上標(biāo)示出盾鱗的溝槽方向；(B)將經(jīng)(A)步驟標(biāo)記后的軟骨魚表皮樣本用雙面膠固定在觸針式表面輪廓儀的工作臺上，保持輪廓儀掃描觸針的往復(fù)運動方向與軟骨魚盾鱗的溝槽方向相垂直；(C)設(shè)置輪廓儀順溝槽方向和垂直溝槽方向的掃描長度分別為200Mm 800Mm，設(shè)置輪廓儀順溝槽方向的掃描點數(shù)為200 400、垂直溝槽方向的掃描點數(shù)為600 1000,掃描完畢后變換掃描區(qū)域重復(fù)掃描3 5次；(D)從經(jīng)(C)步驟掃描后自動生成的掃描圖像中選擇清晰無噪點的圖像，獲得軟骨魚表皮樣本的表面輪廓圖像；第三步三維盾鱗溝槽生物原型模型提取(A)在第二步制得的軟骨魚表皮樣本表面輪廓圖像中選取出單個完整盾鱗，并在該盾鱗上劃定矩形區(qū)域以涵蓋軟骨魚盾鱗溝槽的主體結(jié)構(gòu)；(B)利用輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像處理軟件對經(jīng)(A)步驟劃定的矩形區(qū)域進(jìn)行垂直截取， 截取出軟骨魚盾鱗溝槽的三維立體圖像；第四步二維盾鱗溝槽截面輪廓曲線提取將第三步制得的軟骨魚盾鱗溝槽三維立體圖像借助輪廓儀隨機(jī)自帶的圖像進(jìn)行截面顯示處理，得到二維軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線；第五步盾鱗溝槽截面輪廓曲線模型建立(A)將第四步制得的二維軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線進(jìn)行分段化處理，即將關(guān)于中心脊對稱的兩個溝槽中的一個分為兩段，其中一段從溝槽谷底到中心脊峰頂，另一段從溝槽谷底到副脊峰頂；(B)在經(jīng)(A)步驟劃分的其中一段截面曲線上等間距選取一定數(shù)量的采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3 5階多項式擬合，便得到軟骨魚盾鱗溝槽該段截面曲線的數(shù)學(xué)模型；(C)在經(jīng)(A)步驟劃分的另一段截面曲線上等間距選取一定數(shù)量的采樣點，分別記錄各采樣點的坐標(biāo)位置，并對所述采樣點進(jìn)行3 5階多項式擬合，便得到軟骨魚盾鱗溝槽該段截面曲線的數(shù)學(xué)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于第一步中的原軟骨魚表皮是短尾真鯊魚皮、闊口真鯊魚皮或者黑印真鯊魚皮。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于 第二步中借助高精度觸針式表面輪廓儀以獲取軟骨魚表皮樣本的表面輪廓圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于第三步中所劃定的矩形區(qū)域包含軟骨魚盾鱗鱗棘上的中心脊和兩側(cè)副脊，且矩形區(qū)域的一條長邊要垂直于盾鱗溝槽方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于第五步中對二維軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線進(jìn)行分段化處理，其中一段從溝槽谷底到中心脊峰頂，另一段從溝槽谷底到副脊峰頂。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，其特征在于 第五步中在分段化處理后的每一段截面曲線上分別等間距選取一定數(shù)量的采樣點，并對所述采樣點進(jìn)行3 5階多項式擬合，以得到軟骨魚盾鱗溝槽該段截面曲線的數(shù)學(xué)模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線的建模方法，該方法通過生物表皮取樣及預(yù)處理、生物樣本表面輪廓掃描與成像、三維盾鱗溝槽生物原型模型提取、二維盾鱗溝槽截面輪廓曲線提取、盾鱗溝槽截面輪廓曲線模型建立等步驟，最終得到軟骨魚表皮樣本上盾鱗溝槽截面輪廓曲線的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過對軟骨魚表皮樣本進(jìn)行高精度表面輪廓掃描和成像，所建立的數(shù)學(xué)模型與生物原型的擬合程度較高。采用本發(fā)明方法建立的軟骨魚盾鱗溝槽截面輪廓曲線數(shù)學(xué)模型，可以作為數(shù)控加工設(shè)備制造高逼真仿生減阻表面的數(shù)據(jù)來源。
文檔編號G06T17/00GK102589468SQ20121002571
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者劉家瑞, 林玉飛, 王娟, 王小翠, 韓鑫 申請人:山東理工大學(xué)