微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究

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作者：

刘岚

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摘要：

微型扑翼飞行器(Flapping-wing MAV)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器,在国防和民用领域有十分重要而广泛的应用前景.由于其具有体积小,重量轻,成本低,隐身性和可操作性好等特点,因而成为多种学科研究领域的新热点.论文围绕微型扑翼飞行器设计中仿生翼的一些关键技术与理论问题进行了研究和探索. 针对鸟类与昆虫的扑翼飞行,分别研究了其飞行结构,飞行方式与飞行机理.研究表明生物的扑翼飞行方式是与其特有的飞行结构相适应的,而特定的飞行方式又产生不同的扑翼飞行机理,需要采取不同的研究手段与方法. 文中建立了与扑翼飞行相关联的运动方程,方程包含了扑翼飞行器各个独立部分(身体与每个翅膀)的惯性矩惯性积的所有变化,以及整个飞行器质量中心的位置变化.根据昆虫胸腔结构和扑翼运动的机理,设计了一种由两个线性驱动器驱动的微扑翼机构,通过解其运动方程模拟出满足昆虫翅尖各种运动轨迹的驱动力变化曲线. 在扑翼飞行刚性运动方程的基础上建立了柔性扑翼的运动方程,用以计算柔性扑翼的非线性变形问题.昆虫翼在拍动时会产生显著的弯曲和扭转变形,这种柔性变形效应有可能对飞行的气动力增益,节能或增强稳定性等起重要作用,成为与扑翼方式相联系的另一个作用机制.据此提出了利用柔性翼在惯性力和气动力作用下的变形来实现扑翼MAV翅翼扭转以及增大扑动角的构想.通过有限元计算证明了在设计好翼面形状与翅脉布局的同时选择合适的扑翼频率可以达到此种目的. 提出了微扑翼机构翅翼的共振激励放大驱动机理及其对翅翼的振动模态要求,并依据该机理用有限元方法研究了微扑翼飞行器的仿生翼的设计和优化问题.通过对各种仿昆虫翅翼的模态分析,总结出能够满足共振激励要求的翅翼外型和翅脉布局,建立了参数化的自定义仿生翼模型.在此基础上,以翅翼的展弦比和翅脉关键点的坐标为主要参数,使用有限元优化方法,对仿生翅翼的模态优化进行了初步探讨. 用计算流体力学的数值模拟方法研究了微扑翼飞行器的扑翼飞行的非定常空气动力学问题.在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上,对实际可飞的微扑翼飞行器的扑翼运动建立了三维翼型的运动学与空气动力学模型.利用任意拉格朗曰欧拉(ALE)有限元方法求解出N-S(Navier-Stokes)方程的数值解,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行.在此基础上,分别计算并分析了拍动幅值,俯仰幅度以及扑翼频率等各种扑翼参数对升力的影响. 对柔性扑翼的流固耦合问题进行了初步研究与探讨.针对实际研制的扑翼MAV,建立其二维的柔性扑翼模型,并分析了流固耦合变形和对扑翼模型气动特性的影响.为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据. 基于仿生学原理,提出了微小扑翼飞行器的刚性翼与柔性翼的设计方案,设计制作出了能够飞行的微扑翼飞行器.针对两种扑翼在专门的低雷诺数试验风洞中进行了扑翼的升力风洞试验,对刚性扑翼与柔性扑翼的升力性能进行了对比,并分析了优劣的原因.试验证明在低雷诺数条件下柔性扑翼的性能比刚性扑翼要好.另外通过试验测试探讨了扑翼频率,飞行速度以及扑翼的迎角对扑翼飞行升力的影响,同时还分析了扑翼升力的组成部分以及相互关系,为进一步设计扑翼式微型飞行器提供了依据.

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关键词：

扑翼 微型飞行器 仿生 柔性扑翼 模态优化 数值模拟 流固耦合 风洞试验

学位级别：

博士

学位年度：

2007

DOI：

10.7666/d.y1189897

被引量：

19