微型撲翼飛行器的仿生翼設(shè)計技術(shù)研究.pdf

1、微型撲翼飛行器(Flapping-wing MAV)是一種模仿鳥類或昆蟲飛行的新概念飛行器，在國防和民用領(lǐng)域有十分重要而廣泛的應(yīng)用前景。由于其具有體積小、重量輕、成本低、隱身性和可操作性好等特點，因而成為多種學(xué)科研究領(lǐng)域的新熱點。論文圍繞微型撲翼飛行器設(shè)計中仿生翼的一些關(guān)鍵技術(shù)與理論問題進行了研究和探索。 針對鳥類與昆蟲的撲翼飛行，分別研究了其飛行結(jié)構(gòu)、飛行方式與飛行機理。研究表明生物的撲翼飛行方式是與其特有的飛行結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的

2、，而特定的飛行方式又產(chǎn)生不同的撲翼飛行機理，需要采取不同的研究手段與方法。 文中建立了與撲翼飛行相關(guān)聯(lián)的運動方程，方程包含了撲翼飛行器各個獨立部分(身體與每個翅膀)的慣性矩慣性積的所有變化，以及整個飛行器質(zhì)量中心的位置變化。根據(jù)昆蟲胸腔結(jié)構(gòu)和撲翼運動的機理，設(shè)計了一種由兩個線性驅(qū)動器驅(qū)動的微撲翼機構(gòu)，通過解其運動方程模擬出滿足昆蟲翅尖各種運動軌跡的驅(qū)動力變化曲線。 在撲翼飛行剛性運動方程的基礎(chǔ)上建立了柔性撲翼的運動方

3、程，用以計算柔性撲翼的非線性變形問題。昆蟲翼在拍動時會產(chǎn)生顯著的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，這種柔性變形效應(yīng)有可能對飛行的氣動力增益、節(jié)能或增強穩(wěn)定性等起重要作用，成為與撲翼方式相聯(lián)系的另一個作用機制。據(jù)此提出了利用柔性翼在慣性力和氣動力作用下的變形來實現(xiàn)撲翼MAV翅翼扭轉(zhuǎn)以及增大撲動角的構(gòu)想。通過有限元計算證明了在設(shè)計好翼面形狀與翅脈布局的同時選擇合適的撲翼頻率可以達到此種目的。 提出了微撲翼機構(gòu)翅翼的共振激勵放大驅(qū)動機理及其對翅翼的振

4、動模態(tài)要求，并依據(jù)該機理用有限元方法研究了微撲翼飛行器的仿生翼的設(shè)計和優(yōu)化問題。通過對各種仿昆蟲翅翼的模態(tài)分析，總結(jié)出能夠滿足共振激勵要求的翅翼外型和翅脈布局，建立了參數(shù)化的自定義仿生翼模型。在此基礎(chǔ)上，以翅翼的展弦比和翅脈關(guān)鍵點的坐標為主要參數(shù)，使用有限元優(yōu)化方法，對仿生翅翼的模態(tài)優(yōu)化進行了初步探討。 用計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法研究了微撲翼飛行器的撲翼飛行的非定?？諝鈩恿W(xué)問題。在對昆蟲撲翼飛行運動的仿生模擬基礎(chǔ)上，對實際

5、可飛的微撲翼飛行器的撲翼運動建立了三維翼型的運動學(xué)與空氣動力學(xué)模型。利用任意拉格朗日歐拉(ALE)有限元方法求解出N-S(Navier-Stokes)方程的數(shù)值解，證明簡單撲翼布局所提供的升力足以克服微撲翼飛行器本身的重力使其飛行。在此基礎(chǔ)上，分別計算并分析了拍動幅值、俯仰幅度以及撲翼頻率等各種撲翼參數(shù)對升力的影響。對柔性撲翼的流固耦合問題進行了初步研究與探討。針對實際研制的撲翼MAV，建立其二維的柔性撲翼模型，并分析了流固耦合變形和對

6、撲翼模型氣動特性的影響。為柔性撲翼飛行器的設(shè)計提供了理論依據(jù)。 基于仿生學(xué)原理，提出了微小撲翼飛行器的剛性翼與柔性翼的設(shè)計方案，設(shè)計制作出了能夠飛行的微撲翼飛行器。針對兩種撲翼在專門的低雷諾數(shù)試驗風(fēng)洞中進行了撲翼的升力風(fēng)洞試驗，對剛性撲翼與柔性撲翼的升力性能進行了對比，并分析了優(yōu)劣的原因。試驗證明在低雷諾數(shù)條件下柔性撲翼的性能比剛性撲翼要好。另外通過試驗測試探討了撲翼頻率、飛行速度以及撲翼的迎角對撲翼飛行升力的影響，同時還分析