昆蟲柔性翼的本構(gòu)關(guān)系及靜動(dòng)力特性研究.pdf

1、近幾年，隨著微飛行器概念的提出，人們開始了對(duì)昆蟲飛行的仿生研究。按照傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)無法解釋昆蟲的飛行，目前對(duì)昆蟲飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí)正在逐步深入和提高。有學(xué)者預(yù)計(jì)，昆蟲飛行的特殊機(jī)制包括兩點(diǎn)：拍翅模式和柔性變形。昆蟲正是通過主動(dòng)的控制飛行以及翅膀自身的被動(dòng)變形兩者方式的結(jié)合來達(dá)到優(yōu)化空氣動(dòng)力性能的目的，并從而實(shí)現(xiàn)其高超的飛行技能。本論文圍繞這兩點(diǎn)，對(duì)與其相關(guān)的重要問題進(jìn)行了研究和探討。從第一手的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及測(cè)量方法著手，對(duì)昆蟲翅結(jié)構(gòu)、材料、靜

2、動(dòng)力學(xué)特性、自由飛行中的拍翅方式及翅膀變形等進(jìn)行了一些研究。 提出將投柵的辦法應(yīng)用于昆蟲翼三維形貌以及靜載下變形的測(cè)量。采用四步相移法獲取位相，可以很好的避免背景和噪聲的干擾，特別適合于昆蟲翅測(cè)量中光照條件不夠好的情況。另外，本文采用基于調(diào)制度分析的最小二乘位相去包絡(luò)算法進(jìn)行位相解調(diào)，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)精度。根據(jù)靜載下變形的測(cè)量結(jié)果，基于翅膀條桿假設(shè)，獲得了翅膀扭轉(zhuǎn)剛度沿展向的分布規(guī)律。 通過蜻蜓脈的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了蜻

3、蜒翼的粘彈性本構(gòu)關(guān)系，并提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)線性固體本構(gòu)模型，測(cè)量了相應(yīng)的本構(gòu)特征參數(shù)。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，說明昆蟲翼中具有的粘性項(xiàng)增強(qiáng)了昆蟲飛行中的動(dòng)態(tài)剛度，從而避免了昆蟲高頻飛行中翅膀大變形的出現(xiàn)，起到明顯的抗振作用，因此有很好的抗外界干擾能力。通過對(duì)蜻蜓翼往復(fù)拍動(dòng)的模擬，發(fā)現(xiàn)彈性翼變形幅度過大且有明顯的高次諧波出現(xiàn)，明顯與真實(shí)情況不符；而粘彈性翼的高次諧波影響甚微，很快就可以達(dá)到穩(wěn)定的周期變形，與真實(shí)情況符合。因此，粘彈性本構(gòu)模型

4、是昆蟲翼材料屬性的合理描述。 本文還使用多普勒測(cè)振儀測(cè)量了蜻蜒翼的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，得到固有頻率及其對(duì)應(yīng)模態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)要分析了昆蟲翼的結(jié)構(gòu)特征以及柔性變形特點(diǎn)。 介紹了自主開發(fā)的由三棱鏡實(shí)現(xiàn)的虛擬雙目立體視覺測(cè)量系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于自由飛行蜻蜒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量。通過建立昆蟲隨體坐標(biāo)系和翅膀坐標(biāo)系，本方法可以很好地將昆蟲飛行的翅膀拍動(dòng)及變形與身體位置姿態(tài)聯(lián)系起來綜合考察，對(duì)于觀察昆蟲飛行規(guī)律，探索飛行機(jī)理有著很好的應(yīng)用前景。