仿生拍翼飛行的翼(翅)問題研究.pdf

1、昆蟲高效的飛行能力一直是生物學(xué)家與仿生工程專家關(guān)注的焦點(diǎn)。正確認(rèn)識(shí)昆蟲飛行的高升力機(jī)理是發(fā)展仿生撲翼微型飛行器的基礎(chǔ)，具有重要的理論與實(shí)踐意義。已有的研究多建立在剛性翅模型基礎(chǔ)上，而事實(shí)上翅柔性對(duì)昆蟲飛行性能的影響不可忽略。因此，本文結(jié)合211工程振興行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（3008002102），從柔性翅角度對(duì)仿生拍翼飛行的翼（翅）問題進(jìn)行深入研究。
　　 本文按照“定性分析-理論建模-仿真計(jì)算-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的思路展開。
　　

2、 從定性角度探討昆蟲飛行力的柔性翅機(jī)理。結(jié)合典型昆蟲翅的結(jié)構(gòu)屬性與力學(xué)屬性，分析翅的拍動(dòng)方式及其協(xié)調(diào)柔性形變的成因。在昆蟲拍翅運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，從柔性翅角度重新認(rèn)識(shí)典型的飛行高升力機(jī)理，并用疊加原理將昆蟲前飛機(jī)制解釋為推進(jìn)和滑翔。以上理論分析目的在于從仿生學(xué)角度指導(dǎo)設(shè)計(jì)仿昆撲翼飛行器，并為后續(xù)針對(duì)仿昆拍翼飛行翼（翅）問題的理論建模、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。
　　 通過理論模化途徑研究昆翅在飛行中的動(dòng)態(tài)形變機(jī)制。設(shè)計(jì)靜態(tài)翅形變風(fēng)洞

3、實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證“柔性楔形效應(yīng)”指出的翅準(zhǔn)靜態(tài)形變對(duì)氣動(dòng)力的影響。探討昆翅的變剛度特性，表明弦向剛度分布規(guī)律符合二項(xiàng)式函數(shù)時(shí)具有現(xiàn)實(shí)性和優(yōu)越性，進(jìn)而指出昆翅結(jié)構(gòu)的變剛度特性是產(chǎn)生高升力的基本條件。建立柔性翅的簡化振動(dòng)力學(xué)模型，指出在氣動(dòng)力和慣性力共同作用下翅的形變模態(tài)。以雄蜂飛行為例，示出動(dòng)態(tài)翅形變?nèi)舾申P(guān)鍵時(shí)刻的二維曲線，揭示昆翅非定常形變凸向或凹向來流的實(shí)質(zhì)。明確昆翅拍動(dòng)中形成展向扭轉(zhuǎn)形變的主動(dòng)與被動(dòng)控制因素，對(duì)拍動(dòng)中昆翅的展向扭轉(zhuǎn)給出形象

4、化解釋，強(qiáng)調(diào)翅根扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)控制飛行力的決定性作用。以上研究所建立的翅拍動(dòng)力學(xué)模型，與實(shí)際昆蟲飛行參數(shù)相符，有助于認(rèn)清其動(dòng)態(tài)形變機(jī)制，并進(jìn)而揭示昆翅柔性對(duì)飛行力的貢獻(xiàn)。
　　 為研究昆蟲飛行力的柔性翅機(jī)理，采用計(jì)算流體力學(xué)方法與動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成技術(shù)數(shù)值求解N-S方程，集中探討昆蟲飛行的氣動(dòng)力與能耗問題。設(shè)計(jì)柔性撲翼模型及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并在Fluent下編寫撲翼運(yùn)動(dòng)控制與氣動(dòng)參數(shù)獲取的用戶自定義函數(shù)。經(jīng)過驗(yàn)證，算法能夠正確獲取拍翅氣動(dòng)力并

5、記錄流場結(jié)構(gòu)，采用合適的邊界尺寸、網(wǎng)格密度與時(shí)間步長，能夠使計(jì)算準(zhǔn)確高效。
　　 參照雄蜂拍翅運(yùn)動(dòng)參數(shù)，前進(jìn)比選擇為0至0.54的若干離散值，以覆蓋從懸停到高速勻速前飛一系列飛行工況。設(shè)定平衡判定精度為雄蜂重量的2％，通過調(diào)整拍動(dòng)模式、拍動(dòng)平面傾角、翅根被動(dòng)扭轉(zhuǎn)角以及翅根初始扭轉(zhuǎn)角等參數(shù)，達(dá)到飛行中的受力平衡狀態(tài)，即豎直方向力平衡體重，水平方向力克服前飛流體阻尼力。仿真結(jié)果印證：（1）拍動(dòng)中昆翅在氣動(dòng)力和慣性力作用下產(chǎn)生的自適應(yīng)

6、協(xié)調(diào)形變能夠即時(shí)調(diào)整翅面迎角，充分利用流體動(dòng)力頭獲得高升力；（2）昆蟲前飛采用擺動(dòng)式推進(jìn)器機(jī)制，滑翔性升力對(duì)昆蟲飛行力的提升作用重大；（3）昆蟲從低速到高速飛行過程中，平均氣動(dòng)功率消耗按照倒U型曲線變化，表明存在相對(duì)低功耗區(qū)間，因此通過設(shè)計(jì)合適的翅運(yùn)動(dòng)參數(shù)，翅變剛度分布及翅根部扭轉(zhuǎn)剛度規(guī)律，并選擇一定的飛行速度，有助于仿昆撲翼飛行器在飛行確定距離時(shí)耗能最省，效率最高。
　　 針對(duì)昆蟲普通懸停飛行工況，進(jìn)行仿昆柔性撲翼飛行器拍翅機(jī)

7、構(gòu)初步設(shè)計(jì)實(shí)踐，包括設(shè)計(jì)精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使機(jī)構(gòu)重量盡可能降低，設(shè)計(jì)變剛度柔性翅使其具有協(xié)調(diào)柔性，設(shè)計(jì)彈簧儲(chǔ)能系統(tǒng)減小電機(jī)端最大功率輸出與力矩波動(dòng)等。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的理想目標(biāo)是：在翅前緣施加簡單的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，通過柔性翅在拍動(dòng)中產(chǎn)生的協(xié)調(diào)形變以及翅根部的被動(dòng)扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生足夠的升力維持機(jī)構(gòu)重量。該設(shè)計(jì)實(shí)踐是對(duì)后續(xù)仿昆撲翼微型飛行器系統(tǒng)集成的有益探索。
　　 全文圍繞昆蟲柔性翅飛行力的研究，能夠補(bǔ)充現(xiàn)有對(duì)昆蟲飛行高升力機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并為仿生拍翼飛行的