蜻蜓翅膀結構在仿生學的應用

1、蜻蜓翅膀結構在仿生學的應用班級：自動093 姓名：徐一茹 學號：0904010130一、 前言簡單地說，仿生學就是模仿生物的科學。中國古代老子的核心思想之一：道法自然，意指按自然的啟示和規(guī)律行事。1960年9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，大會提出“生物原型是新技術的關鍵”的論題，確定了仿生學的定義和概念仿生學就是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造的技術系統(tǒng)，或使人造技術系統(tǒng)具有類似于生物系統(tǒng)特征的科學。仿生學的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上的。大浪淘沙，在生物界“優(yōu)勝劣汰”自然法則之下，經過億萬年的自然優(yōu)化，留存下來的各種生物形態(tài)，往往是力與形式的完美結合蜻蜓是無脊椎動物，昆蟲綱，蜻蜓目，差

2、翅亞目昆蟲的通稱。一般體型較大，翅長而窄，膜質，網狀翅脈極為清晰。視覺極為靈敏，腹部細長、扁形或呈圓筒形，末端有肛附器。足細而弱，上有鉤刺，可在空中飛行時捕捉害蟲。蜻蜓形態(tài)優(yōu)美被譽為“飛行的寶石”。身上有多處結構能給仿生學提供研究對象。本文主要從兩個方面介紹蜻蜓的翅膀結構在仿生學的應用。二、蜻蜓翅膀結構：蜻蜓的翅膀主要翅脈和翅膜組成，還包括翅痣和關節(jié)。蜻蜓的翅膀僅占其體重的2%左右，翅膀的前緣和后緣呈流線型，增加了它的靈活性。（1）翅脈 翅脈是翅膀的主要支撐結構。翅脈按縱向結構分布，有剛度較大的前緣脈，亞緣脈以及徑脈，中脈，后肘脈和臀脈，再輔以橫脈，它的前緣脈，亞緣脈和少部分橫脈剛度較大，但有

3、一定的柔韌性，而其余的縱脈和橫脈剛度較低。有非常好的柔韌性。翅脈是管狀結構，既減少了重量有增加了剛度。（2）翅膜翅膜是翅膀的主要的空氣動力結構，它非常薄，一般只有2.3微米，但可以分為背部層（dorsal layer）、中間層（middle layer）和腹部層（ventral layer）。蜻蜓前翅表面覆蓋了蠟質層，包含三種交錯的纖維，這些纖維有兩個功能：一是支撐翅膜，二是承擔來自臨翅脈的彎矩和扭矩，這層蠟質不能被水浸潤，正是蠟質的存在，才使蜻蜓翅膀具有自清潔和防雨的功能。（3）翅痣翅痣是翅膀前端一塊加厚的角質區(qū)域（如右圖所示），翅痣是空腔，里面有液體。這塊芝麻大小的結構極具意義，他消除了飛

4、行過程中翅膀的震顫。Norberg對蜻蜓翅膀研究時發(fā)現(xiàn)，一塊翅痣的質量雖然只有蜻蜓總體質量的0.1%，卻可以提高臨界飛行速度的10%20%。（4）關節(jié)關節(jié)也叫翅節(jié)（如左圖所示），在蜻蜓翅膀前緣的中間位置。有一個特殊的節(jié)點，將翅膀的前后兩部分鉸接在一起，其兩邊的結構可以相互轉動但不能分離，提高了蜻蜓膜翅的變形能力。這種關節(jié)的結合方式在一定程度上起到了緩沖載荷、保護翅面的作用。同時關節(jié)處還相當于一個減震器，緩解高速拍翼時產生的震動。三、蜻蜓翅膀結構在仿生學當中的應用這個部分主要分兩個方面介紹蜻蜓翅膀在仿生學上的應用，一是在飛行器上的應用，二是在建筑方面的應用。（一）蜻蜓翅膀結構在飛行器方面的應用蜻

5、蜓的飛行能力是經過3億多年的進化錘煉而成的，它們能作各種高難度、高機動性飛行動作，它們的翅膀產生的升力可比同樣面積的飛機翅膀高10倍以上，因此，在飛行方面蜻蜒有許多值得人類借鑒的地方?，F(xiàn)有的飛行器基本上都是采用固定翼或旋翼飛行方式，而自然界的飛行生物無一例外地采用撲翼飛行方式。與固定翼和旋翼飛行相比，撲翼飛行具有獨特的優(yōu)點，如原地或小場地起飛，極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行能耗低，它將舉升、懸停和推進功能集于一撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進行長距離飛行，適合在長時間無能源補充及遠距離條件下執(zhí)行任務。因此在機動性、能耗和遠距離飛行方面，撲翼飛行比固定翼和旋翼色行更具有優(yōu)勢，這些也正是飛行器

6、所期望具備的。但另一方面，作超高速飛行時展開的機翼又是不利因素，它們將增大飛行的阻力。為了保證飛行器在高推動力下作超高速飛行時降低或消除機翼的阻力，可將機翼與機身連接處設計為可開合的活動關節(jié)，將機翼完全或部分收攏、折疊在機身內，而當需要進行高機動飛行時，再象蜻蜒等昆蟲那樣展開機翼作撲翼飛行。蜻蜒等昆蟲能夠在強風和復雜環(huán)境下懸?；蚍€(wěn)定飛行，主要原因是它們的翅膀以及身體可根據外界條件的改變，產生自適應變形，使飛行器能像蜻蜒等昆蟲那樣作高頻撲翅運動?；隍唑殉岚颡毺氐木W狀翅脈結構特征與功能，以及高效節(jié)能的拍翼飛行方式，可以仿生柔性機翼模型，它們由多層復合材料薄板和管狀的梁組成，且在管狀梁中充填電致硬

7、化液體，在機翼的前緣設置類似于翅痣的制振、消震裝置，在翅膀前緣靠近中部位置，設置可活動鉸。分析蜻蜒作撲翼飛行時這種網狀翅脈結構、翅痣、可活動關節(jié)以及翅膀中的充液對蜻蜓作高機動飛行時的飛行姿態(tài)控制和翅膀顫震的制振作用，從而用于指導新型智能飛行器作撲翼飛行的柔性機翼仿生設計。（二）蜻蜓翅膀結構在仿生建筑方面的應用（1）建筑仿生學的研究意義建筑仿生學作為仿生學的一個分支，具有相對獨立的一些特征。它以生物界某些生物體功能組織和形象構成規(guī)律為研究對象，并通過這些研究成果的運用來豐富和完善建筑的處理手法，促進建筑形體結構及城市布局體系的形成。當代仿生建筑已不僅是單純外形上的模仿。（2）分析蜻蜓翅膀結構所得

8、啟示1)蜻蜒翅膀網格形式多樣承受主要軸力和彎矩的主脈和其附近的橫脈、從脈等多形成四邊形網格。面其他區(qū)域的從脈多形成不規(guī)則的五邊形，六邊形網格。多樣的網格形式，保證了蜻蜒翅膀用最少的材料獲得了結構所需的剛度。傳統(tǒng)的空間網格結構，在同一結構中網格形式往往較為單一這在結構計算及構件制作上具有很大的便捷性，但不一定是最優(yōu)化的結構形式。我們可以像蜻蜒翅膀一樣，根據實際載荷情況在周一結構中采用不同形式的網格。2)蜻蜒翅脈“主次”分明，管徑相對較粗的主脈，承擔著主要的軸力和彎矩，對整個結構起到骨架支撐作用。從脈幾乎不承擔或承擔很小的彎矩和軸力，但是它對結構的整體剛度和穩(wěn)定性起著重要的作用。空間網格結構的設計

9、也可以像蜻蜒翅膀結構一樣，使結構中的網格達到“主次”分明。3)蜻蜒翅膀可視為一懸臂結構，它有著特殊的三維空間結構。翅膀前緣的起皺和翅弦方向的起拱大大提高了翅膀的抗彎剛度?？臻g懸挑網格結構設計中也可以模仿這種起拱和起皺結構，以實現(xiàn)結構良好的抗彎剛度，4)蜻蜒翅膀是由管狀的翅脈和有少許抗彎剛度的翅膜組成的網狀結構，翅膜對整個翅膀結構剛度的提高起到了重要作用。翅膜在外力作用下受到張拉，結構的抗彎剛度因應力剛化效應而得到了提高。如果將翅脈視為“梁”，翅膜視為“薄殼”，則讓“粱殼”協(xié)同工作共同承受外力不失為提高懸臂結構剛度的一個有效途徑。5)蜻蜒翅膀縱橫翅脈連接形式的多樣，相鄰橫脈有相交在縱脈上的同一點

10、，有錯開連接等分析得出：對于起皺結構，同一點連接要優(yōu)于錯開連接；而對于有殼起拱結構，交錯連接所獲得的抗彎剛度要大。對于無殼起拱結構，需根據起拱的高度來評判連接方式的優(yōu)劣。6)位于蜻蜒翅膀前緣接近翼尖處的翅痣，能有效消除蜻蜒飛行過程中的顫振對于大跨度空間懸挑結構，我們可以模仿蜻蜒翅膀在懸挑自由端施加一和“翅痣”有類似功能的“重物塊”來消除地震和風致振動帶來的危害。四，總結 蜻蜓的翅膀盡管只有薄薄的一片，但它里面所愿喊得是積累了億萬年的智慧。仿生學的研究就是在于用現(xiàn)在的科學技術手段發(fā)現(xiàn)并掌握這個智慧。 本文研究了蜻蜓翅膀結構在智能飛行器和仿生建筑方面的應用，關系到人類的“住”和“行”。有效尋找和利用自然界生物的成長規(guī)律來適應人類社會發(fā)展的需要，這就是建筑仿生學的主要任務。研究意義既是為了用類比的方法從自然界中吸取靈感進行創(chuàng)新，同時也是為了與自然生態(tài)環(huán)境相協(xié)調，保持生態(tài)平衡。自然界是人類最好的老師，吸收動物、植物的生長機理以及自然生態(tài)的規(guī)律，結合人類工具的自身特點而適應新環(huán)境，無疑是最具有生命力的，也是可持續(xù)發(fā)展的保證。五、參考文獻【1】趙力掠過空中的寶石一蜻蜒大自然探索，2002，