仿生撲翼飛行器設(shè)計及空氣動力特性分析

AbAbstrt-II--II-btractFppngarehcesawoptaatwhchteypowrpoddbyppngwn.Jstkeotrwchoog,tasapddeeopetnretddsdeotelaryaegcdead.Ontoprsdentodyacsdeeentbtyoynsa-aeadoweyodsnub.aueofsoodoaentadghtprora,tswdeyacdnteetentonofA.Thspprssteataytddteprncpeofppnggh,ppngcansmadeodyasortedsgnofpootp.Bdsdnssteodelofppngarehc.Tehghtcansmsaydbdonteoeentofterwn,aduterepaatonsdeoelteeetalodtonorghtudrdeetyet.Coprngteetdswthxdwngodya,teanpobemttsoudbeocusonascar.Teeeenstattepasofaatboutrsngitaestddswe.Fppngcansmsteoeopoetwhchdctyoolsteoeesofwng.Thspprasdsgndtoutdesoalppngchansswhcheto-desoalad8ppngcans.Tetobonccanssespysngerdomadaveboedanasadsbtyodngoteocusonsofketsaayssadtesuto.odyasaasssbadonteotonof8ppngthtasstddbeo.Teanpossosuaetn2DusdyopesbeodtonbysngNAudrutenetonodueduldptes.Sealodesoronstwebutadaayd.Tesutaeraaysssowstattetoudbenebycsngtecodengthadppngeqec,adtedngdeonolpontpoddoettanotrposto.Alteocusosoudpayagudeoenoptmngdesgnpo.Pootpedsgnsbdonteocsosacd.Teanoksodsgntedaloftrtueadposofcanaladodynacsse.Sralraseecooeadaaydodngoteuctonofptsadmsofseadegh.Tepootpesdeadtdna.Altepatsthequeensadteocusosaeoodorartrrc.eyos:ppngarvehce,utdesoalppn,8ppn,udrctenato,dptvesh目錄目錄--PAGEIV-目錄摘要ISTCT第1章緒論11.1課題背景及研究的目的和意義11.1.1撲翼飛行器的背景11.1.2研究的目的和意義31.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀41.2.1國外研究現(xiàn)狀41.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀81.3本文主要研究內(nèi)容10第2章?lián)湟盹w行機(jī)理研究2.1鳥類飛行機(jī)理的研究2.1.1鳥類翅膀的運(yùn)動特征2.1.2鳥類飛行的升力機(jī)理122.2昆蟲飛行機(jī)理的研究142.2.1昆蟲翅膀的運(yùn)動特征142.2.2昆蟲飛行的高升力機(jī)理152.3飛行姿態(tài)182.4飛行器各部分因素對升力的影響182.4.1撲翼的影響182.4.2機(jī)身的影響192.4.3尾翼的影響192.5本章小結(jié)20第3章新型仿生撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真213.1仿生學(xué)依據(jù)223.2二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計233.2.1二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)概念設(shè)計233.2.2二維機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析軌跡仿真243.38字軌跡機(jī)構(gòu)設(shè)273.3.1機(jī)構(gòu)概念設(shè)計273.3.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析283.3.38字撲動機(jī)構(gòu)DS運(yùn)動仿真 313.4本章小結(jié)32第4章8字撲動的空氣動力分析334.1氣動分析理論依據(jù)344.1.1NA簡介 344.1.2氣動分析原理344.2模型建立354.2.1固體模型建立354.2.2流體模型建立374.3氣動結(jié)果分析384.4本章小結(jié)43第5章?lián)湟順訖C(jī)設(shè)計445.1樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計445.1.1撲動機(jī)構(gòu)445.1.2動力及減速系統(tǒng)475.2樣機(jī)氣動系統(tǒng)設(shè)計495.2.1撲翼設(shè)計495.2.2尾翼設(shè)計505.3樣機(jī)組裝測試515.4本章小結(jié)52結(jié)論53參考文獻(xiàn)54攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果58哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)聲明及使用授權(quán)說明59致謝60哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文--章緒論1課題背景及研究的目和意義撲翼飛行，顧名思義，是指像鳥一樣通過撲動機(jī)產(chǎn)飛行的升力和前進(jìn)力的飛行器與固定翼飛機(jī)不同，固定翼飛機(jī)是依靠機(jī)翼產(chǎn)生升力，依靠發(fā)動機(jī)的推力或牽引產(chǎn)生前行力而撲翼飛行器的升力和推力都是由一個撲翼系統(tǒng)產(chǎn)生。撲翼飛具有特殊氣動特性，更易向微型發(fā)展。仿生學(xué)研究表明，當(dāng)尺寸小到一定成度之后撲翼飛行具有無法替代特性[1]此外撲翼飛行器具有尺寸小，重量輕，隱蔽性好的特點，基于此重要的戰(zhàn)意，廣泛受到軍事領(lǐng)域的重視，在近幾十年得到迅速的發(fā)展。21世紀(jì)的戰(zhàn)爭就是科技的戰(zhàn)爭，掌握了戰(zhàn)場形勢意味掌握了戰(zhàn)爭的主動權(quán)，因此無人偵查的重要性日益突顯目前各國軍隊均配備有可單兵攜帶的小型固定翼偵察機(jī)在戰(zhàn)場上均有出色的表現(xiàn)但無法實低空室內(nèi)和定點偵察，相應(yīng)的旋翼和撲翼在這些方面則有明顯的優(yōu)勢。由于撲翼具有獨(dú)特的隱蔽性和易微型化的特點因逐漸成為發(fā)展的趨勢。..1撲翼飛器的鳥類和昆蟲經(jīng)過漫長的進(jìn)化過程，形成了特有組織結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以使他們更有效率的飛行。蜜蜂的翅膀類似劃槳的運(yùn)動飛行的撲動頻率很高，有良好的機(jī)動；蜻蜓沒有高頻的撲動，但其翅前后布置，使其不僅可以完成常規(guī)的前飛，懸停等飛行，還可以實現(xiàn)垂直升降和向后飛行，這是其它昆蟲所不具備的。鳥類由尺寸的不同具有不同的飛行方式，雄鷹可以在天上盤旋天鵝起飛時要助跑一段距，燕子可以貼著水面飛，大雁遷徙時要排成長隊等。這些鳥類都充分利用各自的特，通過最有效的方來實現(xiàn)飛行。人類最對于飛行的探索都是從模仿鳥類開始的古今中外人們一直不停地在進(jìn)行這方面的探索。我國戰(zhàn)國時代有了風(fēng)箏，晉代有了竹蜻。風(fēng)箏雖不是撲翼飛行，也是通過模仿鳥類而得來，而竹蜻蜓即是后來直升機(jī)的升力模型。撲翼的歷史最可以追溯到漢代。東漢時期的史學(xué)家班固寫的《漢書·王莽傳》書里，有這樣一段記載:“取大鳥翩為兩翼，頭與身皆著毛，通引環(huán)紐，飛數(shù)百步，墮”[2]在歐洲，也有人撲翼的研究十五世紀(jì)的意大利畫家達(dá)·芬奇從30歲起，用了20年的時間認(rèn)真研究了鳥類的飛行，于1505年完成了《輪鳥的飛行》研究手稿[3]是第一個對鳥類飛行機(jī)理進(jìn)行比較系統(tǒng)研究的人在文達(dá)芬圖文并茂的說“除非翅膀拍擊空氣的速度大于空氣自身的壓縮速度，否則翅膀下的空氣不會變密集，因此鳥就不會在空中支撐自己的重量這里達(dá)·芬奇已經(jīng)有了作用力和反作用力的思想，同時他還指出鳥類在逆風(fēng)時可以利用身下面的氣流，通過放松的運(yùn)動就可使身體浮于氣流之上，更容易飛行。這就是空氣動力產(chǎn)生升力的雛型。此外，達(dá)·芬奇還對鳥類的起飛、滑翔、轉(zhuǎn)彎等動作進(jìn)行觀察研究，給出很多合理的解釋根據(jù)鳥類的飛行原理，達(dá)·芬奇設(shè)計了很多人力撲翼模型圖1-1是其中的一個在模型中芬用薄翼膜代替了羽毛也說明他已經(jīng)認(rèn)識到羽毛不是飛行必要條件，并且最終指出“類是按一定數(shù)學(xué)規(guī)律飛行的機(jī)器，人具有復(fù)制這架機(jī)器全部運(yùn)動的能。在之后的許多年里，也出現(xiàn)了一些撲翼的模型。1874年，法國人AlphonsePénaud設(shè)計了橡筋動力的撲翼模型4,5]如圖1-2所這個模型可以產(chǎn)生很的推力，幾乎是后來所有撲愛好模仿的原型只是在細(xì)節(jié)和材料上略有不同。圖1-1達(dá)·芬奇設(shè)計的人力撲翼機(jī) 圖1-2Pénaud設(shè)計的橡筋動撲翼模型之后撲翼的發(fā)展有了很大的進(jìn)展，但是仍很緩慢，當(dāng)熱氣球和一些初級滑翔機(jī)出現(xiàn)之，人們漸漸放棄了這種成功率很低的飛行方。特別是固定翼飛機(jī)的出現(xiàn)，人們找到了實現(xiàn)飛行夢想的工具。隨著航空技術(shù)的成，固定翼飛機(jī)的各方面性都大大超過了人們的預(yù)期，固定翼的空氣動力學(xué)也趨于完善，因此在一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，撲翼的發(fā)受到冷落，基處于停滯狀態(tài)。撲翼飛行是在最近幾十年得到迅速發(fā)展起來，同許多高新技一樣，都是基于軍事的需而產(chǎn)。最初提的發(fā)展微型飛行。微型飛行器的概念最初是由美國科學(xué)家布魯諾·奧根斯坦在1992年美國國防高級研究計劃eeedadechPotsAec，簡稱DA在蘭德RND公司舉辦的未來軍事會議上提出的。之后蘭德公司的研究報指出，攜帶有微傳感器的小尺寸微型飛行器是可以實現(xiàn)的，美保持軍事優(yōu)勢具有重要意義而且美軍專家認(rèn)為微型飛行器將有可能改變未來的戰(zhàn)爭模[6]此后麻省理工的林肯實驗室聯(lián)合美國海軍研究實驗室，進(jìn)行了更深入的評估，得出微飛行偵察機(jī)具有技術(shù)可行[78]。微型飛行規(guī)翼展和機(jī)身不超過15重量10-100續(xù)航時間20-60，航速30-60k/承重小于18最大飛行距離1-10k可實時傳輸圖像能自主飛行10[9]但由于技術(shù)限制各國各項參沒有一個嚴(yán)格規(guī)定在完成任務(wù)的前提下，盡可能微型化是微型飛行器的發(fā)展目標(biāo)。仿生學(xué)和空氣動力學(xué)的研究表，在小尺度領(lǐng)域，流場屬于非定常流場，這種環(huán)境下?lián)湟盹w行更穩(wěn)定產(chǎn)生的升力更相對固定翼和旋翼有明顯的優(yōu)勢，因此撲翼成微型飛行領(lǐng)域研究的重，再一次激起人們對撲翼研究的熱情。..2研究的的和義撲翼飛行器是基于仿生學(xué)原理設(shè)計的小型飛行器，具有尺寸、重量輕能量利用率高隱蔽性以及攜帶方便等特點，在軍用和民領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景[1011]。軍事上，撲翼飛行器可用低空及室內(nèi)偵、城市作戰(zhàn)通信、電子干擾、核生探等。在戰(zhàn)場上300米以下的低空區(qū)域?qū)儆诶走_(dá)盲區(qū)也防空火力網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域，這一區(qū)有利于實施低空偵察和突然性的戰(zhàn)斗行，撲翼飛行器因為自身獨(dú)有的特點，可以完成其他飛行器所無法完成的任[12]，例如可進(jìn)行室內(nèi)和定點偵察等。1996年美國A在“21世紀(jì)戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)研究中指出，要提高士兵對作戰(zhàn)環(huán)境的感知力因此撲翼飛行器可設(shè)計成“場外探測器”[13]，即中短程偵察工具。目前已有一些固定翼和旋翼飛行器裝配軍隊，在一些作戰(zhàn)行動中顯示出重要的優(yōu)越，而向微型領(lǐng)域發(fā)展撲翼有更大空間。圖1-3是美國oonet研的小型固定偵察機(jī)[14]。圖1-3單兵攜帶可組裝的小偵察機(jī)此外撲翼飛行器還能夠完成通信中繼、電子干，特種作等任務(wù)。無線通信隨著距離的增加會造成信號強(qiáng)度衰減，因此遠(yuǎn)距離的通信通常需要中繼站來中轉(zhuǎn)。撲翼飛行器即可做一個小型的飛行式中繼站，來完成信號的中轉(zhuǎn)放大。同樣，撲翼飛行器可以實現(xiàn)很好的潛入實施電子干擾，功率不足可以通增加飛行器的數(shù)量來彌補(bǔ)。在一些特種作戰(zhàn)環(huán)境下人們無法直接進(jìn)入比如說核環(huán)境、生化環(huán)境以及一建筑物的內(nèi)部，撲翼飛行器則可以輕松的進(jìn)入，并且可以較長時間的停進(jìn)行采、監(jiān)測和引等任務(wù)。在民領(lǐng)域，撲飛行器也具有廣泛的用途，比如環(huán)境監(jiān)測航空測繪、農(nóng)業(yè)勘測、災(zāi)情監(jiān)測、道路監(jiān)控野外搜、城區(qū)監(jiān)視機(jī)場驅(qū)等[15]。撲翼飛行器的設(shè)，是一個多學(xué)科交叉的研究過程。其研制不僅會助推撲翼空氣動力學(xué)的發(fā)展，還涉及許多相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[16]，例如新型材料、部件微型化、微型動力源自主控制及數(shù)據(jù)通信等。撲翼飛行器在研究中尺寸和質(zhì)量做了規(guī)定這要求除了采用新型輕質(zhì)材料，還要使機(jī)載控制部件如控制板、制動器、陀螺儀、攝像頭等在滿足要求的情況下不斷縮小尺寸目前已有學(xué)者采用電熱記憶材料進(jìn)行折疊翼的研[17]，在微電機(jī)領(lǐng)域，出現(xiàn)了尺寸更小重量更輕的直線電機(jī)，輸出端輸出往復(fù)的直線運(yùn)，適合研究尺寸更小的微撲翼飛行。撲翼飛行是微型偵察機(jī)發(fā)展的新趨勢，對新技術(shù)和氣動理的發(fā)展都有巨大的推動作，其研不論在軍事還是在民用領(lǐng)域，都具有重要的戰(zhàn)略意。2國內(nèi)外的研現(xiàn)狀自從上世紀(jì)九十年代提出微型飛行器的概念之美國德國荷蘭日本、印度、以色等國家都相繼成立了專項研究機(jī)構(gòu)，投入大量科研經(jīng)費(fèi)，開展微型飛行器及相關(guān)技術(shù)的研究，并且都取得了不小的成[18,19]。起初的研究重點要放在了固定翼和旋翼飛行器上，隨著樣機(jī)尺寸的越來越小，撲翼開始受到重視并迅速發(fā)展美國由于A、NSA以及軍方資助，與大學(xué)、科機(jī)以及公司合作研發(fā)發(fā)展最快我國的研究主要在一些高校進(jìn)行也都有可飛行的記，在樣機(jī)研究和氣動理論方面相應(yīng)的取得了不少成。..1國外研現(xiàn)狀撲翼樣機(jī)的出現(xiàn)基本上都是上世紀(jì)90年代開始的這是由工業(yè)技術(shù)和撲翼空氣動力學(xué)的發(fā)展水決定的。其中有一些國家還進(jìn)行了載人撲翼的研究加拿大多倫多大研制的載人撲翼，在1991年進(jìn)行了該機(jī)14模型概念機(jī)的試飛并取得成功美國I組認(rèn)為這是第一遙機(jī)械驅(qū)動撲翼機(jī)成功飛[2021。此后隨著微型飛行器概念的提出各國紛紛展開了小尺撲的研究。美國的研究現(xiàn)狀新興技術(shù)的發(fā)展，美國一直走在世界的前列。由于重量和動力源的限制，其中一些樣機(jī)采用一些特殊的驅(qū)動方式有代表性如圖1-4所示圖中為美國喬治亞理工大學(xué)研制的微型飛行器Eoope[22,23]它有的兩對機(jī)翼使用往化學(xué)肌肉C，cpotngChealMuce)驅(qū)動。喬治亞理工大的ntomoptr b)斯坦福研究中的ntorc)Crkey研制的FI d)ndrbit大學(xué)的IM圖1-4采用特殊驅(qū)動方式的撲樣機(jī)ntomoptr的每一部分設(shè)計都獨(dú)特，例尾部的天線可以增加飛行器的平衡，腿部可以在地面行走同兼作燃料箱，還可以增大轉(zhuǎn)動慣量增加了橫滾的穩(wěn)定性研究者還期望它能在未來火星探測中發(fā)揮重要作[24]b是在美國AA的資助下，斯坦福研究中心SR和加拿大多倫多大學(xué)共同研制的微型撲翼飛行器no[25]采用電致伸縮人造肌肉為動力它是利用e-Fogh機(jī)制飛的多撲翼飛行器可以實現(xiàn)前飛和懸停是美國加州大學(xué)伯克利分校研制的微機(jī)械飛蟲F[26]采用壓電石英驅(qū)撲翼振動尺寸1-25重量僅43只作短暫的無控飛行d是adbt大學(xué)的C[27]利用壓電原理驅(qū)動機(jī)翼翼為15c，動力系統(tǒng)由鋰電池供電。此外有代表性的是加州理工學(xué)院的cob[28]它是一個仿鳥的撲翼飛行，形式上已經(jīng)接近近期的撲翼，其驅(qū)動采用的是機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)姿態(tài)通過平尾和垂尾控制該機(jī)在第一次試飛時只飛行了9秒，幾經(jīng)改進(jìn)之后，在2002年8月成功飛行25分鐘，創(chuàng)造了當(dāng)時撲翼飛行的世界記錄。隨著技術(shù)的成熟，撲翼飛行器傾向于穩(wěn)定和智能化方向發(fā)展伯克利分校的BoetcMlsses實驗室在繼FI項目后開展新型撲翼機(jī)項目Bd-bo29]的研發(fā)該項目的目是魯棒智能控實現(xiàn)室內(nèi)飛該機(jī)所搭載的微控制CP，包含攝像頭、陀螺儀、加速度傳感器、通信模塊在內(nèi)，總只有1.4克。美國哈佛大的微機(jī)器人實驗Mcoobotsb，在AA的資助下，歷時7年研出的電子蠅oobotcF[30-32]如圖-5b它機(jī)身由碳纖維，總重60，翼展3c，撲動頻可達(dá)到每秒10次，目前已成功飛行。)Crkey最新研發(fā)的ird-bot b)哈佛大學(xué)研制的crorobotcFy圖1-5美國研制的兩種新型微撲翼飛行器美國撲翼飛行器的最新報道是美國eoonet研發(fā)的超微飛行器NoArehce“蜂鳥”NaoHungbd[33]。該飛行器是由AA資助，400萬美元?dú)v時5年時研制完成其重量10翼展16續(xù)航能力10-20分鐘采用無尾飛行方能夠?qū)崿F(xiàn)懸停翻筋斗等高難度動如圖-6所示其姿態(tài)控制方式與直升機(jī)的姿態(tài)控制方式有很大相似之“蜂鳥的出現(xiàn)是撲翼史上的一個里程碑它代當(dāng)前撲翼發(fā)展的最高水平目“蜂鳥已可裝配軍隊，執(zhí)行小區(qū)域以及室內(nèi)的偵察任務(wù)。圖1-6 美國航空環(huán)公司的納米蜂鳥機(jī)器[33]其他國家的發(fā)展水平其他國也在不斷進(jìn)行撲翼飛行器的研究，都有取得很大的成果。荷蘭代爾夫特大學(xué)近幾年著力進(jìn)行共軸四翅微型撲翼機(jī)的研究迄今為止研制出三代eF[34]系樣機(jī)，如圖1-7所示，三代樣機(jī)尺寸在不斷的縮小FyI50c重21采用V型尾翼控制姿態(tài)于2005年成功試飛eFyII翼展28c，重16.07，2006年試，采用十字尾翼控；eFyI有了很大的突，真正達(dá)到了微型飛行器的概念要。其采用傳統(tǒng)的機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動，搭載電池和攝像設(shè)備，翼展只有10c，重量只有3.07，在整個撲翼領(lǐng)域都具有較領(lǐng)先的地位。圖1-7代爾夫特大學(xué)研制的Fy系列撲翼飛行器德國的FSO公司模仿海鷗研制出一款尺寸較大的撲翼飛行器Srbd[35，如圖1-8。這款飛行器翼展1.96，身長1.06，重450，能夠?qū)崿F(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)身。它設(shè)計了海一樣的流線翼型，采用的是折疊翼撲動方式，驅(qū)動機(jī)構(gòu)是一個平行連桿機(jī)構(gòu)，同時翼有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。它具有出色的控制系統(tǒng)頭部和尾部都可以擺動，飛行時能夠達(dá)到以假亂真的效。圖1-8FSTO公司研的Smrtbrd日本在理論和樣機(jī)方面研究的也比較，基本都是小尺寸的共軸四翅結(jié)構(gòu)。圖-9所示是千葉大學(xué)研制的四翅樣36]翼展在15m以內(nèi)飛行平穩(wěn)由四翅機(jī)構(gòu)是利用-Fogh效應(yīng)，能夠產(chǎn)生較高的升力，更容易微型化，因此近以色列和俄羅斯等一國家的報道基本上都是這種結(jié)構(gòu)此印度提出了一種還不成熟的多維撲樣[37]，翅膀有主動的扭轉(zhuǎn)運(yùn)，目前已完無控制試飛。圖1-9千葉大學(xué)研制的微撲翼飛行器 圖1-10印度設(shè)計多維撲動樣機(jī)..2國內(nèi)研現(xiàn)狀我國開撲翼飛行器的研究也是從上世紀(jì)九十年代開始的，基本與外國同期進(jìn)行。但是由于基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的限制，發(fā)展較慢出現(xiàn)的樣機(jī)通常尺寸也較大，一般翼展在30-50。進(jìn)入2000年之后，由于計算技術(shù)的迅速發(fā)展國內(nèi)許多大學(xué)開始撲翼的研究工作，尤其在近兩年取得較大的進(jìn)。我對撲翼飛研究較深入的高校主要有南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。南京航空航天大學(xué)對微型飛器的研究起步較早在1998年即研制出首架可飛的微型飛行器2004年在昂海松教授的帶領(lǐng)下，建立科研團(tuán)隊開了撲翼飛行器的研究昂海松教利用高頻攝像機(jī)，記錄小型鳥類起飛階段的運(yùn)動姿態(tài)，對小型鳥類的撲動方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。實驗發(fā)在起飛階段，鳥類上撲時翅膀收攏貼合身體，幾乎是沒翼展面積的。此外昂海松團(tuán)隊還對撲翼的氣動理[38]和控制方[3940]進(jìn)行了深入的研究，并在201年研制出一能自主飛行的機(jī)械鳥[41]，如圖1-1所，該機(jī)械鳥翼展60，重量196，可實現(xiàn)精確定位航飛行，在圖像減振及降噪方面都有出色的表現(xiàn)，在今年的日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會上獲得發(fā)明成果。未，昂海團(tuán)隊計將依托這種技術(shù)研發(fā)新型交通工具。西北工業(yè)大學(xué)經(jīng)十多年的發(fā)展，在撲翼氣動原理的研，風(fēng)洞實驗設(shè)備的建設(shè)等方都取得了大的成果同時設(shè)計出PY系列的原樣機(jī)[42]為后續(xù)的設(shè)計提供了有力指導(dǎo)和支持。其中學(xué)校下的愛生公研的SN-21，是一款比較成熟的撲翼樣機(jī)該機(jī)的撲翼采用傳統(tǒng)的平面連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動重220，翼展60c，航速6-10。其撲翼采用鳥類翼型的上表面弧線設(shè)而成的仿生薄片翼。該機(jī)在2010年的珠海航展上展出，是一具有自主巡航能的飛行，如圖1-12所。圖1-1南京航空航天大學(xué)的仿生機(jī)械鳥 圖1-12西北工業(yè)大的S-21哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院2004年開始，在周超英[4345]教授的帶領(lǐng)，建立計算機(jī)數(shù)值模擬實驗室基于計算流體力學(xué)理論，展開對撲翼的升力機(jī)理、柔性翼的空氣動力學(xué)以及昆蟲在低雷諾數(shù)下的飛行機(jī)理等方面研，得出大的理論成果。這些理論成果在世界上也處先進(jìn)水平，對撲樣機(jī)的研發(fā)有很大的指導(dǎo)作用樣機(jī)的研發(fā)工作2009年開始如1-13所示經(jīng)過兩年的時設(shè)計出首款翼28c重19.2的微型撲翼樣機(jī)該樣機(jī)201年12月完成無控制試飛。撲翼飛行的姿態(tài)控制是個難點，未來的研究除了在開發(fā)新型小尺寸樣機(jī)之外，對控制技術(shù)也展開研究。圖1-13哈工大深研院研制的微型撲翼飛行器3本文主要研究內(nèi)容本文的主旨在于根昆蟲的撲翼飛行機(jī)理和撲翼飛行的氣動理論，模擬昆蟲翅膀的8字撲動，設(shè)計一多維撲動撲翼飛行，主要研究內(nèi)容如：1)從仿生學(xué)的角根據(jù)鳥類和昆蟲的尺寸和運(yùn)動特征研了鳥類和昆蟲的飛行機(jī)理同時從飛行姿態(tài)的角度闡了飛行的實質(zhì)，從中得出飛的必要條件，并討了飛行器各部分對提升升力的影，從而為樣機(jī)的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。2)模擬昆蟲的撲動方式創(chuàng)新設(shè)計出一種二維撲動機(jī)構(gòu)和一種8字(三維)撲動機(jī)構(gòu)，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)了數(shù)學(xué)建模運(yùn)動學(xué)分，同時基于DS環(huán)境，對8字撲動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真驗證，從撲動的弦線軌跡分析得出，兩種機(jī)構(gòu)都具有形成樣機(jī)的潛。3)懸停是一種不需來流的飛狀態(tài)，因此基于NA的流固耦合FS功能，研究了無來流條件下8字撲動的氣動特，比較了幾種不同尺寸和運(yùn)動條件的升力情況得出了影撲翼受的運(yùn)動條件翼型參數(shù)。4)基于前邊的理論研究，參考國內(nèi)外優(yōu)秀的樣機(jī)，從實際出發(fā)對8字樣機(jī)的機(jī)械部分及氣動部分進(jìn)行了具體設(shè)計并加工形成樣機(jī)，通過搭配簡單的無線遙控裝置，進(jìn)行測。章?lián)湟盹w行機(jī)分析鳥類和昆蟲在長期的進(jìn)化過程中，形成了其獨(dú)特的組織特，這些特征使它們可以很好的完成各種復(fù)雜的飛行任。生物翅膀的特殊材質(zhì)，有助于鳥類和昆蟲的飛行但是對升力的貢獻(xiàn)不是主要的而且某種程度上是可以復(fù)制的同時，在固定翼的空氣動力中，也提供了一個直觀的現(xiàn)象，就如果機(jī)翼配置合適，只要有足夠的推力維持足夠速度的來流，飛機(jī)就能夠飛行而與固定翼飛機(jī)不同的是，鳥類和昆蟲的推進(jìn)和舉升都是由翅膀撲動完。因此，鳥類和昆蟲翅膀的運(yùn)動成為研究撲翼飛行過程中的關(guān)鍵問題近百年來，學(xué)者們致力于通過研究鳥類和昆蟲翅的運(yùn)動軌跡、撲動頻率、翅膀附近流場特性以及翅膀尺度等問題來揭示撲翼飛的原理本章主要從運(yùn)動特征和氣動特性兩方面來說明。此外固定翼飛機(jī)的產(chǎn)生是利用鳥類滑翔的原理，并且經(jīng)過上百年的發(fā)展，固定翼飛行的空氣動力學(xué)也已經(jīng)趨于成熟。在研究撲翼飛行的過程中發(fā)現(xiàn)，這些原本受鳥類啟發(fā)而發(fā)展成的理反過來也可以解釋鳥類飛的某些關(guān)鍵問，這是以往學(xué)者們在研究過程中所忽略的本章將會在鳥類飛行機(jī)理和飛行姿態(tài)部分進(jìn)行相應(yīng)的闡述。本章的研主要針雙翅的情況，蜻蜓的前后撲翼和共軸四這些四翅的情況，具有特殊的空氣動力特性，文不做討論。1鳥類飛行機(jī)分析..1鳥類翅的運(yùn)特征鳥類翅膀最大的特點就是可以折疊，這是因為鳥類獨(dú)有的靈活的關(guān)節(jié)和可以開合的羽毛。這些特征可以使鳥類在不同飛行狀態(tài)得到不同的翼展面積。鳥類翅膀的結(jié)如圖2-1所示其中槳形可以收攏和展開對飛行影響最大槳形羽又分為初級飛羽和次級飛，初級飛羽又叫初級撥風(fēng)羽，主要產(chǎn)生推力，在翅膀撲動的過程中，初級飛羽做大幅度的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時帶動次級飛羽做小角度的扭轉(zhuǎn)。次級飛羽段與前緣合起來，相當(dāng)于固定翼飛機(jī)的機(jī)翼主要產(chǎn)生升力。鳥類翅膀的撲動基本上分下?lián)浜蜕蠐鋬呻A段，同時在撲動的過程中，還伴隨著翅膀的折疊收攏和展。1)下?lián)潆A段在下?lián)溥^程中翅膀展開至最大面積從最高點下?lián)渲磷畹停岚蚧旧媳３终归_狀態(tài)。這一階段占用一個撲動周期的大部分時間，是提供升力的主要階；2)上撲階段當(dāng)下?lián)渲磷畹忘c后翅膀迅速折疊收攏到身體兩并向上運(yùn)，翼尖上抬至最高點翅膀完全展這一階段多為被動上抬產(chǎn)生很小的負(fù)升力，同時也會產(chǎn)生推。邊覆羽

小覆羽

中覆羽大覆羽次級飛羽

初級飛羽槳形羽圖2-1鳥類翅膀結(jié)構(gòu)在起飛階段的上撲過程中，翅的折疊收攏幾乎是貼合身體的，可認(rèn)為沒有翼展面積這個現(xiàn)已經(jīng)在南京航空航天大學(xué)的昂海松教授所做的高頻拍攝實驗中得到證實，而平穩(wěn)飛行時，翅膀的收攏則沒有那么。起飛階段和平穩(wěn)飛行時的飛行機(jī)理有相似處但也有區(qū)而且大型鳥類和小型鳥類也有所不圖2-2所示為鳥類一個周期的撲動圖由圖中可以看出1-10是下?lián)湫?，占用了大部分時間，1-14是上撲行程。圖2-2鳥類一個周期的撲動鳥類的撲動頻主要取決于鳥的尺寸和體，體型越大的鳥，撲動的頻率越小，通常在2-50Hz之間。天鵝等大型鳥的撲動頻率為2H，海鷗為5H，鴿子為10H，蜂可以實現(xiàn)懸停飛行撲動頻可達(dá)50H。..2鳥類飛的升機(jī)理固定翼飛機(jī)的研究是從模仿鳥類滑翔開始的，而固定翼空氣動力學(xué)的成熟，也為鳥類飛行機(jī)理的研究提供了有力的幫助。鳥類飛行的核心原理，與固定翼飛行相似，就是要有一定速度的來，固定翼是由發(fā)動機(jī)的牽引來維持來流，鳥類則是通過撲動時翅膀的扭運(yùn)動產(chǎn)生的推力來維持的。通常來流速度越大，升力越，這也是為什么鳥類在逆風(fēng)時更容易飛行的原；大雁在遷徙時排成長隊飛行前邊的大雁產(chǎn)的加速尾流，使后邊的飛行更省，也是這個道理。鳥類起飛階段和平穩(wěn)飛行時具有不同的空氣動力特性小型鳥類起飛時由于周圍流場止，這個來流與翅膀的下?lián)渌俣认嗟壬眢w傾斜較大，翅膀扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力作用于后下方，同時腳上還有一個彈跳動作，由于這三個力的組合作用，鳥類得以飛行起來鳥類起飛時還很好的利用了-Fogh效應(yīng)，這也是起飛時產(chǎn)生較大升力的原因。大型鳥類有些區(qū)別，老鷹由于翼展很大，能夠獲得很大的升力，天鵝等形水生禽類都是要在水面奔跑一段距離，以獲得一定速度的來流來完成起。平穩(wěn)飛行時，身體傾斜很小來流主要由翅膀扭轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的推力來維持，同時翅膀的下?lián)鋾a(chǎn)生附來流速度，增大升力如圖2-3所。V∞FLTVdown V

Vup VTLF下?lián)潆A段 上撲階段V∞圖2-3鳥類撲翼飛行機(jī)理左邊是翅膀的下?lián)潆A，∞是前方來流速度，弦線相對來流的迎角為負(fù)，但是相對實際來流方向即V的方向迎角為正除來流速度外，氣流相對撲運(yùn)動有一垂直向上的速度on，其大小與翅膀的下?lián)渌俣认嗟人鶕湟韺嶋H的相對來流速度為=∞+Von，方向如圖所。根據(jù)儒可夫斯基升力原理可知，作用在撲翼上的氣動力on與實際來流方向垂直Fon在豎直和水平方向上的分力L、T即為撲翼所受的升力和推力同理，上撲時，翅膀扭轉(zhuǎn)向下傾斜但是弦線相對V的迎角為負(fù)值如圖，產(chǎn)生負(fù)升力和推力實際上鳥類的上撲多為被動主動力很小，所以由于前方來流的作用仍可以產(chǎn)生一些升力，同時由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會產(chǎn)生推力。由鳥類的運(yùn)動特征可以看出，在一個周期內(nèi)，下?lián)涞臅r間比上撲的時間長，具有時間不對稱性。事實上，時間不對稱只是相對而言，鳥類在自身的能力范圍內(nèi)下?lián)湓娇?，升力越大，但是通常鳥類都會選擇省力的方式飛行，上撲過程無需用力或只用很小的力，所在一個撲動周期內(nèi)，上撲相對下?lián)湟煲恍＿@是為什么鳥類在起飛的時候撲動快，而平穩(wěn)飛行是撲動相對較慢的原因。這種撲動時間的不對稱，能使翅膀在一個撲動周期內(nèi)有更長的時間承受來流從而獲得較大的平均升力。2昆蟲飛行機(jī)分析..1昆蟲翅的運(yùn)特征昆蟲的翅膀不能折疊，運(yùn)動的方式相對一，類似于劃槳的動作。一個撲動周期分為下?lián)浜蜕蟙owsokeadpsoke兩個階段如圖2-4所示在兩個撲動轉(zhuǎn)換之翅膀扭倒轉(zhuǎn)方向使得在整個過程中始終前緣是帶動后緣撲動。圖2-4昆蟲一個周的撲動昆蟲翅撲動時前緣掃過的面近似為一個平面，該平面稱為撲動平面正常懸停時撲動平面水平弦線與撲動平面之間有一個迎角約為35°產(chǎn)生升，上撲和下?lián)涞倪\(yùn)動基本相同只是方向相反扭轉(zhuǎn)角度幅度約為10°撲動度約為120°上下?lián)鋭拥霓D(zhuǎn)時間約為15周在撲動過程中可認(rèn)翼展不變化，翼尖軌跡是一個球面8字。昆蟲通過改變撲動平面的傾角來完成前飛和側(cè)飛類似直升機(jī)的控制，傾角通常比較大，飛速度有關(guān)系。撲動平傾斜，下?lián)鋾r機(jī)翼小迎角拍下主產(chǎn)生升力，上時機(jī)翼相對氣流的迎角大于90°，主要產(chǎn)生推力和較小的負(fù)升力上撲和下?lián)渚哂胁煌挠行б碚谷鐖D2.5所示為昆蟲撲動時的弦線軌跡示意為前飛時的情況可以看出有效翼展的不同b為懸停時的情況，時間說明了平動與轉(zhuǎn)動的關(guān)。--下?lián)湫谐?.5

0.25 0上撲行程0.75)前飛時 b)懸停時圖2-5昆蟲撲動的弦線軌46]

1.0昆蟲飛行時翅膀的撲動近似為好正弦函數(shù)但是通過果蠅的觀察實驗發(fā)47，翅膀撲動近似為梯形函數(shù)，梯形函數(shù)的特點是大大縮短了扭轉(zhuǎn)的時間，而相對增加了平動的時間，這相對正弦函數(shù)會產(chǎn)生更高的升。這也說明昆蟲在起飛時和平穩(wěn)飛行時具有不同的撲動函數(shù)。昆蟲尺寸小撲較快頻率一在5-400z范圍內(nèi)蚊子的撲動頻率較高，一般在600Hz左右蝴蝶每秒只有5-6H蜜蜂的翅膀的撲動頻率為250H飛行速度4.5，蒼蠅撲動為100H，飛行速度4，蜻蜓由于特殊的翅膀布，撲動頻率較，而飛行的速度最，翅膀撲頻率20-40，飛行速度9，最高可達(dá)40。飛行速度為氣動分析提供了流速的參考。..2昆蟲飛的高力機(jī)理昆蟲沒有尾平穩(wěn)飛行中通身體調(diào)節(jié)重心來控姿態(tài)是一種無尾飛行。翅膀是平，撲動時通過大角度的扭轉(zhuǎn)運(yùn)即可產(chǎn)生足夠大的升力，觀察發(fā)現(xiàn)，由于翅脈的布置昆蟲的翅膀剛度也是從前緣到尾緣逐漸降昆蟲尺度的飛，流場為非定常流場，空氣粘性不能再忽略，昆蟲能夠很好利用這種環(huán)境產(chǎn)生高升力。Syge[48]在實驗利用煙氣獲得蝴翅膀周圍的流場圖像，結(jié)果證，蝴蝶的飛行有效的利用非定?？諝鈩恿懋a(chǎn)生升力?？偠?，昆蟲的非定常高升力機(jī)制包括4種：-Fogh效應(yīng)、延遲脫落機(jī)制、翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和尾跡捕獲機(jī)制。1)-Fogh效應(yīng)-Fog[49]在上世紀(jì)70年通過對小黃的飛行研發(fā)現(xiàn)，小黃蜂的膀具有和鳥類不同的撲動形式起動速度比鳥類更快并提出了p-ng機(jī)開合機(jī)制即-Fogh機(jī)這一機(jī)制S[50]在論文中給出了形象的解釋如圖26所示，即翅膀由合攏到打開的過程中兩翅的中迅速形成低壓區(qū)域，空氣進(jìn)入并產(chǎn)生旋渦并且在打開過程旋渦不脫落，由此產(chǎn)生瞬時的高升力。昆蟲多--數(shù)鳥類起飛時大多都利用這種機(jī)制獲得較大升，而平穩(wěn)飛行時，翅膀則一般不在背部合不會產(chǎn)這種效應(yīng)-Fogh機(jī)制是最早提出的昆蟲高升力機(jī)理。圖2-6Sne給出的s-Fogh機(jī)制的解釋2)延遲脫落機(jī)制昆蟲翅膀在上撲或下?lián)溥^程中氣流在前緣產(chǎn)生旋渦后附著在翼的表，產(chǎn)生負(fù)壓，在整個上撲或下?lián)湫谐讨斜３植幻?，這就是延遲脫落效應(yīng)這一效應(yīng)會明顯增大升力如圖2-7所示與固定不昆蟲翅膀的圓周撲會在展向也產(chǎn)生氣流，這一展氣流會阻止前緣渦的進(jìn)一步增大，從而保證前緣渦在整個上撲或下過程中都不脫落。V前緣渦FV氣渦F VFV后緣渦

脫落渦

F新的前緣渦V圖2-7延遲脫落機(jī)制3)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)翅膀扭轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)的發(fā)生在上撲和下?lián)涞霓D(zhuǎn)換之如圖2-8所示，轉(zhuǎn)換的時候撲翼的速度會迅速減小到零然后開始反向行程，翻轉(zhuǎn)效應(yīng)能夠使撲翼在減速的時候仍能承受前方氣流，從而阻止升力迅速減小。旋轉(zhuǎn)中心位置的不同會產(chǎn)生不同效果對升力都產(chǎn)生不同影響，旋轉(zhuǎn)方向4)尾跡捕獲機(jī)制

圖2-8翻轉(zhuǎn)效應(yīng)機(jī)制與翻轉(zhuǎn)效應(yīng)相似尾跡捕獲也是發(fā)生在上撲和下?lián)滢D(zhuǎn)換之。如圖2-9所示，在一個撲動行程結(jié)束時，翅膀減速并扭轉(zhuǎn)換，遇到上一行程所產(chǎn)生氣流，這增加了翅膀與空氣之間的相對速度在撲翼減速的階段產(chǎn)生額外的升。前一行程的渦翅膀旋轉(zhuǎn)氣流 升力撲動圖2-9尾跡捕獲機(jī)制昆蟲的高升力機(jī)制發(fā)生在撲動行程的不同階段，產(chǎn)生的氣動效果都會增大平均升力。Dkno[51]等人利用果的懸模型在油中進(jìn)行升力測試，如圖2-所示是兩個撲動周期的升力曲線，在一個撲動行程內(nèi)有兩個峰值這兩個峰值就是翻轉(zhuǎn)效應(yīng)尾跡捕獲共同效果產(chǎn)生。無峰曲線是平撲部分產(chǎn)生的即發(fā)生前緣渦延遲脫的階段，可以看出延遲脫保證了整體的高升力。通過測試顯示，這兩個峰占總升力的35，是飛行升力重要的組成部，同時翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和尾跡捕獲對昆蟲的穩(wěn)定飛行和姿態(tài)調(diào)也有突出的作。圖2-10昆蟲的升力曲線3飛行姿態(tài)從飛行姿態(tài)的角度，可以宏觀上很好的理解鳥類和昆蟲飛原理。鳥類和昆蟲的飛姿態(tài)基本上可以分兩種：水平飛行，直立飛行首先說明，翅膀的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動在后緣產(chǎn)生的直接效果，這里稱為推力。這個概念與前邊的推力基本相似，但略有不同。水平飛行是機(jī)身與水平方向的夾角很的飛行姿態(tài)，這種姿態(tài)下飛行速度較快，是一種相對省力的飛行方。這時的主要升力不是來自于翅膀的撲動，而是來自于來流的作用，與滑翔機(jī)的原理相類似，即水平飛行的主要條件就是前方要有來流，由前邊可知，這個來流靠推力來保持。對飛行器來說，撲翼沒有折疊運(yùn)動，撲動只是簡單的直撲，所以在同樣的撲動條件下產(chǎn)的推力越大，越容易飛行。當(dāng)推力大于自身的量時可以肯定飛行器是能夠飛行的。所以研究的焦點可以適當(dāng)由升力轉(zhuǎn)移到推力上，因為升力是由推力間接支持的仿鳥飛行器在試飛時通常要手動擲出這就是為了獲得一個初始來流而之則需要推力維持。直立飛是機(jī)身軸線與水平方向夾角很大，即翅膀撲動平面接近水平的飛行狀態(tài)，是一種特殊的情況。這種飛行不需要空氣來流支持飛行速度慢，翅膀撲動是產(chǎn)生的推力，也就是在水平飛行姿態(tài)下維持來流的推力，在直立狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，可以實現(xiàn)懸飛行。這種飛行多見昆蟲和一些小型的鳥類，懸停飛行時撲動平面幾乎水平，前飛時撲動平面向前傾斜，推力在豎直和水平方向上的分量分別為升力和前進(jìn)，類似于直升機(jī)的懸停和前飛。有區(qū)別的是當(dāng)昆蟲的撲動平面傾斜時，上撲和下?lián)渚哂胁煌挠行娣e，所以下?lián)鋾r會產(chǎn)生額外的升力。蜂鳥是直立飛行很好一個例子，它可以實現(xiàn)懸停、前飛向后飛行，翅膀運(yùn)動相對簡單是很多學(xué)者研究的對。4飛行器各部分因升力的影響撲翼飛行器的各部分對飛行器的姿態(tài)、升力和穩(wěn)定性都有重要的影響。合理的選型和配置不僅可以有效的提升升力也可以使飛行更加平穩(wěn)。撲翼的響撲翼在飛行的時候產(chǎn)生升力和推力相當(dāng)撲翼飛行器的發(fā)動機(jī)，是撲翼飛行器最關(guān)鍵的部。這里從撲翼剛度和翼型兩方面來分析提升升力的因。柔性是很多學(xué)者研究的重點在早期的撲翼研究過程中，都假設(shè)撲翼是剛性的，因此不論是CFD模還是風(fēng)洞實驗得出結(jié)果都是升力偏小實際上早期的樣機(jī)模型都是簡單的直撲這種撲動模式下，盡管實驗中存在升力，但是剛性翼--是無法飛行的，因為剛性翼無法產(chǎn)生維持來流的動力而柔性翼由于柔性，撲動時可以產(chǎn)生被動的扭轉(zhuǎn)效果扭轉(zhuǎn)會在機(jī)翼的后緣處產(chǎn)生推力英國學(xué)者通過水洞實驗也證實，柔性翼可以實現(xiàn)推升力的最大化目前，翼的柔性還沒有量的規(guī)定通常都是通過在薄膜上添加彈性翼碳纖維來限制一些柔性多維運(yùn)動的撲翼則可以采用剛性翼來仿真。實驗表明多維運(yùn)動情況，剛性翼得出的結(jié)果與實際相差不[52]，這也對氣動仿真和樣設(shè)都提供了有力的指導(dǎo)。翼型是指撲翼在向截面內(nèi)的形狀。翼型的不同對升力有很大的影響鳥類的翼型通常是前緣厚，后緣薄，前緣有向上的彎曲拱起，而昆蟲的翼通常就是平翼微型飛行器的尺寸小通常采用平翼翼大于30m時采用鳥類的翼型會有效增大升力，但是由于增加翼型骨架也相應(yīng)的增加了重量，因此應(yīng)用也不，通常是采用鳥類翼型的上表面弧線來設(shè)計薄片翼或直接采用平翼。機(jī)身的響機(jī)身對升力的影響主要是針對水平飛行時的情況。微型飛行由于尺寸小、重量輕、飛行速度慢，所以機(jī)身的影不如固定翼飛機(jī)那大，但還是有明顯的效果。水平飛行時，機(jī)軸線相對來流有一個迎角，氣流接觸到的機(jī)身底部時產(chǎn)生分流，在兩側(cè)的翼根處產(chǎn)生附加升，如圖2-12所示。由增加機(jī)身也會增加重量，所以目前一些高校研究的飛行器都沒有設(shè)計機(jī)身，而是采用連翼方，即左右翼在中間背脊的位置是連在一起的，這一小段不撲動，相當(dāng)于固定翼，飛行中只承受來流，也會產(chǎn)附加升力。前方來流尾翼的響

圖2-12機(jī)身分流尾翼直接關(guān)系到飛行器的姿態(tài)和飛穩(wěn)定，與撲翼具有同的重性。形式上沒有固定要求，平尾和垂尾組合尾翼、V形尾翼和多自由度平尾都具有可行性，理論上具相的作用。尾翼的安裝角會對升力和姿態(tài)產(chǎn)生影水平飛行和直立飛行也有所區(qū)別。水平飛行時平尾安裝角通常為負(fù)，產(chǎn)生負(fù)升力同時產(chǎn)生抬頭力矩。由于水平飛行姿態(tài)下，飛行速度快升力主要來源于來流的作用所以保持機(jī)翼的迎角相對更重。而且通過觀察發(fā)現(xiàn)，盡管安裝角不同飛行時平尾的姿態(tài)幾乎都接近水平，根據(jù)這個特點和飛行器的設(shè)計速度可以估算出平的初始安裝角。當(dāng)迎角很大時飛行速度慢，飛行器主要靠推力飛行，這時尾翼也有很大的迎角，安裝角大于等于零產(chǎn)生阻力和升。5本章小結(jié)本章主從鳥類和昆蟲的運(yùn)動特征出，研究了鳥類和昆蟲飛行機(jī)理，同時研究了兩種不同的飛行姿態(tài)下，飛行的必要條件和兩種姿之間的區(qū)別，之后針對飛行器的細(xì)節(jié)，研究機(jī)身各部分因素對提升升力的影響研究中得出，推力是水平飛行必要條件具有同升力同樣重的作用，特別是直立飛行時，推力充當(dāng)主要升。第章新仿生撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真撲翼飛行器是通過模仿鳥類和昆蟲的飛行設(shè)計而成的，其中最主要的就是傳動機(jī)構(gòu)，它直接決定撲翼具有怎么樣的運(yùn)動。由于撲翼飛行器特有的輕、小的特點，學(xué)者們早期采用一些微型的撲動機(jī)構(gòu)進(jìn)行嘗試，例如壓電陶瓷驅(qū)動機(jī)構(gòu)，晶振致動機(jī)構(gòu)等。隨著機(jī)械和材料技術(shù)的發(fā)展，微型動力源和輕質(zhì)微小零件的制造及精度問題得以解決，因此越來越多的研究逐漸采用機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單重量輕運(yùn)動規(guī)劃容易的特點平面連桿機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)單一的撲動，也可以實現(xiàn)折疊翼的撲動，空間機(jī)構(gòu)則可以實現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動。目前為止所出現(xiàn)的撲翼機(jī)構(gòu)基本都是單由度的機(jī)構(gòu)。曾經(jīng)出現(xiàn)過多自由度的機(jī)構(gòu)，但是由于增加了動力源，增加了重量，因此大多停留在概念上，沒有形成樣機(jī)采用單自由度機(jī)構(gòu)實現(xiàn)昆蟲的運(yùn)動而且要求結(jié)構(gòu)簡單傳動平穩(wěn)流暢，這就使設(shè)計難度大大增加。前邊已經(jīng)探討了昆蟲的運(yùn)動特征和飛行機(jī)理，本章根據(jù)昆蟲的運(yùn)動特性，設(shè)計了兩種能夠模仿昆蟲運(yùn)動的單自由度機(jī)構(gòu)。創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的設(shè)計流程如圖3-1所示。設(shè)計目標(biāo)運(yùn)動規(guī)劃仿生學(xué)依據(jù) 運(yùn)動需求運(yùn)動規(guī)劃結(jié)構(gòu)綜合

概念機(jī)構(gòu)設(shè)計運(yùn)動學(xué)分析參數(shù)設(shè)計 程序仿真新型機(jī)構(gòu)圖3-1創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計流程1仿生學(xué)依據(jù)鳥類和昆蟲翅膀的撲動都不是單一的。由第二章的研究可，昆蟲翅膀的運(yùn)動，類似于劃槳的動，是一種復(fù)合運(yùn)，翼尖的運(yùn)動軌跡是一個球面8字，而且撲動過程中還伴隨著翅膀的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動懸停時撲動平面水平，前飛時撲動平面傾斜，傾角很大，此上撲和下?lián)溥^程中翅膀具有不同的有效面積，這是扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的優(yōu)勢。從運(yùn)動學(xué)的角度分析8字撲動在二維運(yùn)動的基礎(chǔ)上多一個橫向的偏移速，使其翅膀相對空氣的實際速度增大，從而增大了翅膀的受力。昆蟲振翅的動力源在翼根處附帶扭轉(zhuǎn)驅(qū)動，翅膀剛度很小因此翼尖處由被動因素，扭轉(zhuǎn)角度更大圖3-2所示是昆蟲系留飛行實驗可以觀察到撲動過程昆蟲翅膀的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。鳥類由于折疊翼的結(jié)構(gòu)，撲動則更為復(fù)雜，比較特殊的是蜂鳥。蜂鳥是一種可以懸停飛行的小型鳥類，其翅膀的運(yùn)動與昆蟲有相似之處如圖3-2b所示，其翼尖軌跡也是個球面8字，而且翅膀也有大角度的扭轉(zhuǎn)運(yùn)。蜂鳥翅膀前緣有骨架的支持昆蟲的翅脈布局也是有前緣到后緣逐漸變稀疏扭轉(zhuǎn)運(yùn)動都是既有主動因素也有被動因素?？傮w相比之下蜂鳥和昆蟲的這種撲動方式比較單一，更易于模仿。)昆蟲翅膀的運(yùn)53] b)蜂鳥翅膀的撲54]圖3-2生物翅膀的多維運(yùn)動此外，中國科學(xué)院的張永[266在研究撲翼軌跡對空氣動力的影響時，比較了直線軌跡、橢圓軌跡和8字軌跡的對升力的影響，結(jié)果得出8字軌跡產(chǎn)生的升推力最大這從氣動原理上也證實了8字軌跡的優(yōu)，因此更適合向微型領(lǐng)域發(fā)展。但是由于8字運(yùn)動相對復(fù)雜，因此采用但自由度實現(xiàn)，設(shè)計上存在難度。2二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計..1二維運(yùn)機(jī)構(gòu)念設(shè)計撲翼二維運(yùn)動只包含撲動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，翼尖的軌跡為直線?？臻g機(jī)構(gòu)的曲柄和搖桿在相互垂直的兩個平面內(nèi)，可以利用這個特點，對機(jī)構(gòu)加以變型，最終形成二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)。設(shè)計的思想是利用曲柄的上下極點控制撲翼前緣撲動行程，左右極點控制翼面的扭轉(zhuǎn)行程如圖-3所示圖中可以看出當(dāng)1越大a越小時，扭轉(zhuǎn)角越大。搖桿在yz平面內(nèi)做x向的轉(zhuǎn)動，1的軌跡是一段圓弧，因此連桿a既存在xy平面的擺動，也存在yz平面的擺動，此外在撲動的過程中，a還有沿著自身桿向小角度的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此在與曲柄的連接端可用球鉸連接，這是最關(guān)鍵的問題。在與搖桿的連接處用兩個轉(zhuǎn)動副既可解決。圖3-3概念設(shè)計圖確定了連接副之后，得出整體空間機(jī)構(gòu)的簡圖，如圖3-4所示?？紤]到微小零件加工難度的問題球鉸可用一個3R的組合關(guān)節(jié)替換這種關(guān)節(jié)可以拓展成多種結(jié)構(gòu)形式可以進(jìn)行質(zhì)量和效率的優(yōu)化而且便于加工簡單的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4b。)機(jī)構(gòu)簡圖 b）結(jié)構(gòu)簡圖圖3-4二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)簡圖機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)量決定機(jī)構(gòu)是不是具有確定的運(yùn)動，運(yùn)動確定的條件是機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)與驅(qū)動的數(shù)量相等。撲翼飛行器的總體質(zhì)量很輕，其中動力源占很大的比重，因此在運(yùn)動可行的條件下，動力源越少越好。二維機(jī)構(gòu)雖然同時具有兩種運(yùn)動，但明確只有一個驅(qū)動支持，因此要求機(jī)構(gòu)只具有一個自由度。自由度的計算公式如3-1：5M6(N)iii1

3-1)其中，N—為構(gòu)件數(shù)，包括機(jī)架；pi—第i類運(yùn)動副的數(shù)量；i—第i類運(yùn)動副引入的約束數(shù)。這是一個空間5桿5副的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，圓柱副引入5個約束，球副引入3個約束，自由度由3-1計算得：M65)4531當(dāng)用3R組合鉸鏈替換球鉸之后，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成7桿7副機(jī)構(gòu)，自由度數(shù)為：M67)751可以看出兩種形式的自由度數(shù)均為1這說明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是確定的替換前后，兩種機(jī)構(gòu)可以等效。..2二維機(jī)運(yùn)動分軌跡真機(jī)構(gòu)的撲動角是主要設(shè)計參數(shù)扭轉(zhuǎn)角通過配置連桿和曲柄的長度被動得出，且要求不小于40度因為扭轉(zhuǎn)角度過小會直接影升力計算得出的桿長圓整之后，對撲動的角度有一定的影響，但是在允許范圍，不會對實際效果造成明顯影響。建立精確的運(yùn)動學(xué)方程可以很好的觀測到撲翼的運(yùn)動規(guī)律，為運(yùn)動優(yōu)化和氣動分析也提供了前提。在運(yùn)動學(xué)分析之前，假定桿長是已知的。實際上，撲動角度的幅值是根據(jù)設(shè)計目標(biāo)預(yù)先設(shè)定的桿長可以通概念設(shè)計圖3-3中的幾何關(guān)系得出之為便于加工，對尺進(jìn)行圓，圓整之后運(yùn)動誤差要求在允許范圍。設(shè)計時同時考慮樣機(jī)的尺寸既要保證滿足撲動幅度和扭轉(zhuǎn)角度的設(shè)計要求，又要保證各部分零件裝配不干根據(jù)機(jī)構(gòu)簡圖建立坐標(biāo)系如圖3-5所示因為連桿與搖桿連接處的兩個轉(zhuǎn)動副相互垂直，可假設(shè)桿長為零，對運(yùn)動學(xué)求解不會造成影響，所以坐標(biāo)系中可認(rèn)為連桿a與搖桿2直接相連。1為曲，b為曲柄至機(jī)架的距離涉及到干涉的主要尺，有最小值限。x1 za d1 b cl1ml2 i

2y圖3-5二維運(yùn)動分析運(yùn)動學(xué)求解由圖3-5得出其中1和2根據(jù)樣機(jī)尺寸給出兩者之間存在關(guān)，12np2nn/2式中up——上撲最大值；

3-2)n——下?lián)渥畲笾怠Ｓ捎趽湟盹w行器所使用的是微電機(jī)，額定扭矩很小，為保證傳動力矩在允許范圍內(nèi)，1尺不宜過大，2尺寸不宜過?？紤]到壓力角的問題，a和d的值也都有限制對稱撲動時ad，不對稱撲動時有，d2sinup1a為了使連桿在運(yùn)動過程中擺動較小，使b(2osup2osdwn)/2通過以上公式，給定撲動角度和1、2的值，就可以確定初值：X1,2,,d,b

3-3)3-4)3-5)確定初始值之后利用初始桿長反求出搖桿的運(yùn)動方程由圖3-5得求解撲動角如下：2tnbtn b

3-6)3-7)c d1s1l2r2l2s1 2 22

3-8)式中，

2 2 2

21

bc

bd1s1

3-9)2 2 22

a1

n1

3-10)聯(lián)立3-6至3-10可得撲動角方程如下：1 1 2 1 1b2drs2r2a2r2n1 1 2 1 12 1 12 1 1

2r b2drs2

n

d1s1 2

3-1)扭轉(zhuǎn)角根據(jù)設(shè)撲動角的運(yùn)動被得，其求解過程如下：tn1sin1m

3-12)其中變量m為：mcbnsd1s1bns有以上兩式可得扭轉(zhuǎn)角的方程為：

3-13)tn

1sin1d1os1btnos

3-14)綜合3-1和3-14可得二維撲動機(jī)構(gòu)的總運(yùn)動方程：1 1 2 1 1 b2drs2r2a2r2in1 1 2 1 1stn

2 1 12r b2drs2 1 11in1d1s1btns

tn

d1s1 2

3-15)對稱撲動時da其值越大扭轉(zhuǎn)角越小由以上公式可以看出，1越大，越大但是1和2的大小關(guān)系到驅(qū)動力矩，1不宜大2不宜同時b的值關(guān)系到裝配干涉問題，有預(yù)留值限，不宜過。因此當(dāng)設(shè)計角度為對稱撲動時，綜合以上因素，配置桿長得出初始值X8.,12,1,1,.5

之后由tb仿真得出弦線的運(yùn)動軌如圖3-6所示，時間間隔為一個周期的136。當(dāng)上撲和下?lián)渫瑫r顯示時，可以直觀的看出扭轉(zhuǎn)角度的范圍。圖3-6所示軌跡為沒有補(bǔ)償角的情況補(bǔ)償角就是撲翼的初始安裝角當(dāng)補(bǔ)償角為零時，弦線起始運(yùn)動方向與撲動平面垂。當(dāng)給定一個補(bǔ)償角度之后，弦線初始位置發(fā)生變化，這樣當(dāng)撲動平面傾斜時，可以使撲翼在上撲和下?lián)溥^程中獲得不同的有效面積，如圖3-7所示，可以直觀看出，下?lián)溆行б砻娣e大，主要產(chǎn)生升力，上撲有效翼面積小，主要產(chǎn)生推力。--下?lián)湫谐躺蠐湫谐虉D3-6二維機(jī)構(gòu)軌跡仿真3 8字軌跡機(jī)構(gòu)設(shè)計..1機(jī)構(gòu)概設(shè)計

圖3-7有補(bǔ)償角的撲動軌跡8字軌跡是大多數(shù)昆蟲翅膀的運(yùn)動軌跡有很好的仿生學(xué)依據(jù)8字軌跡機(jī)構(gòu)也是一種仿昆蟲撲動的機(jī)構(gòu)，它既能實現(xiàn)撲動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，還具有橫向的擺動，翼尖軌跡是一個球面8字。8字軌跡機(jī)構(gòu)也是一個空間連桿機(jī)構(gòu)其設(shè)計理念與二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)有相似之處。搖桿繞安裝點做8字運(yùn)動因此安裝點為球鉸在連桿與搖桿組成的動平面內(nèi)，連桿存在擺動，因此連桿上需增加一個轉(zhuǎn)動副，使連桿在動平面內(nèi)一端固定一端擺動。連桿與曲柄之間用耦合連桿連接耦合連桿兩端的轉(zhuǎn)動副相互垂直，之后--得出機(jī)構(gòu)簡圖如圖3-8所示，調(diào)耦合連桿的兩個轉(zhuǎn)動副的位，經(jīng)變形之后，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成圖3-8b的形式，與二運(yùn)動機(jī)構(gòu)相似，可認(rèn)耦合連桿桿為零，其橫向增加的長度可通過曲柄到機(jī)架的距離b來補(bǔ)償。)簡化前 b)簡化后圖3-8 8字軌跡機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖此機(jī)構(gòu)也是一個空間5桿5副的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，自由度驗證由公3-1可得：M67)751說明機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動中球鉸也可以由一個3R組合鉸鏈等效替換替換之后的結(jié)構(gòu)簡如圖3-9所示。..2機(jī)構(gòu)運(yùn)學(xué)分析

圖3-9 8字撲動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖8字機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)與二維運(yùn)動機(jī)構(gòu)類似各個桿長之間具有相同的函數(shù)關(guān)和技術(shù)條件初始值具有同樣的確定方式都由圖3-3所示的概念設(shè)計根據(jù)撲動幅值和曲柄轉(zhuǎn)動時上下左右的四個極限位置確定的，扭轉(zhuǎn)角和擺角撲動過程中被動形成根據(jù)圖3-8b建立求坐標(biāo)系如圖3-10所示與二維求解坐標(biāo)系不同，B點并不總是落在yz平面內(nèi)。然該機(jī)的具有特殊的位置關(guān)系，球鉸安裝點C到xy平面的垂線始終經(jīng)過連桿A，利用這特點可以很方便的求出搖桿的運(yùn)動學(xué)方程。xA1 l1za 32 d4o 1 b c2l 32E F CG 23x D y31B 2圖3-10 8字撲動機(jī)構(gòu)運(yùn)動求解坐標(biāo)系8字撲動搖桿的運(yùn)動表現(xiàn)為三個歐拉角，如圖所示其求解方程如：in2 2 xin 3

3-16)其中，

tn

2srrA1n1

3-17)F

Gs

cs

3-18)1，x2和x3存在關(guān)系：

cd1s1al2213

3-19)3-20)上式中，

l2 r 3 c2 2 23rc3l2

3-21)3-22)又因為，

cos2243

3-23)4s

l2a2r21 2

3-24) a 2 2 2 21bcrb

3-25)所以得，

3tn3

3-26)2s

l2a2r21 2

nb

3-27)聯(lián)立3-16和3-20可得，

a 3 ralsin 2 2l2 ca lsin 2

3-28) 2l2ostnros c其中，——8字?jǐn)[角；——撲動角；——扭轉(zhuǎn)角。聯(lián)合以上公式即可求得搖桿的撲動方如式3-28所示由于方程的解析解過于復(fù)雜，因此這里用已的符號變量替?，F(xiàn)設(shè)計撲動為對角度撲動，撲動幅為，圓整之幅值不得小于，扭轉(zhuǎn)角度范圍不小于因為扭角度直接影響到推扭轉(zhuǎn)角度小更適合水平飛行只有扭轉(zhuǎn)角度足夠大的情況下才有可能實現(xiàn)直立或懸飛行8字?jǐn)[角不宜過大，因為擺角過大會使上下?lián)鋭愚D(zhuǎn)換時間過長，平均升力減小，而且還會增大機(jī)構(gòu)振根據(jù)設(shè)計參數(shù)通過仿真優(yōu)桿長初始值X1,2,,d,b其中1和2與二維撲動機(jī)構(gòu)具有同樣的技術(shù)要求，b涉及到傳動干涉，也不宜過。根據(jù)以條件確定基本初始值X,,d,，a和d的值影響扭轉(zhuǎn)角度，通過tb優(yōu)化最選各桿長為X,，仿真得出運(yùn)動曲線如圖3-1所示從曲線圖中可以看出搖桿的運(yùn)動規(guī)律其撲動幅度大于扭轉(zhuǎn)幅度約為撲動曲線接近正弦曲線滿足設(shè)計要求通過對翼尖軌跡和弦線軌跡的仿真得出圖3-12和圖3-13，圖中可以看出翼尖軌跡蜂鳥或昆的略有差異，不過通過弦線的軌跡可以看出影響不大。--運(yùn)動角度運(yùn)動角度/g000000

擺角撲動角扭轉(zhuǎn)角0 .5 1 .5 2 .5 3 .5 4 .5 5撲動周期/T圖3-1 機(jī)撲動曲線.10.1.6

.4

.2

0.2

.4

.7

.6圖3-12 8字撲翼尖軌跡圖3-13 8字撲弦線軌跡..38字動構(gòu)S運(yùn)動仿真DS是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的一集建模求解可視化為一體的運(yùn)動仿真軟件。通過AS仿真可以直觀的看到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律和軌跡從而驗證運(yùn)動學(xué)分析的正確，同也可以查看空間干澀問，方便機(jī)構(gòu)的優(yōu)。仿真的結(jié)構(gòu)如圖3-9所示初始設(shè)計參數(shù)為X,與tb仿真的桿長參數(shù)相同結(jié)構(gòu)圖與圖3-8相似，由于長連桿a分了耦合連桿和一個短連桿，因此設(shè)計尺取兩個桿的和為18。在ADS中建立連接關(guān)系并施加驅(qū)動，進(jìn)行運(yùn)動仿如圖3-14所示，可以看其翼尖的運(yùn)軌跡是球面8字。圖3-14 8字撲機(jī)軌跡仿真圖3-15是仿真所得的運(yùn)動曲線與圖-1相比，零時有不同的初始值這是因為AS導(dǎo)的模型初始位置不再最高，不過依然可以看出軟件仿真同tb具有相同的運(yùn)動規(guī)。4本章小結(jié)

圖3-15 8字撲動構(gòu)DS運(yùn)動仿真曲線本章依據(jù)仿生學(xué)理，模擬昆蟲的多維撲動設(shè)計了兩種新型撲動機(jī)，并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動分析和軌跡仿真。這兩種機(jī)構(gòu)可以同時實現(xiàn)撲動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，8字機(jī)構(gòu)同時還存橫向的擺，通分得出，其撲方式相對一維撲動，存在絕對的優(yōu)勢，這從撲翼飛行機(jī)理和仿生學(xué)的角度都可以得到證實，而得出通過簡單的空間連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜撲翼動作具有可行。章8撲空氣分析撲翼的氣動分析是基于計算流體力學(xué)理，通過數(shù)值模的方法對撲翼在流場中的受以及流場情況進(jìn)行分析，這有效驗證撲翼氣動特性的手段，不僅可以節(jié)約大量成本，還可以預(yù)知某些特殊的性質(zhì)。目前，數(shù)值模擬的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個流體領(lǐng)域，并且獲得認(rèn)可。學(xué)者們的研究通常采取與實驗相結(jié)合的方法。通過風(fēng)洞實驗證實相同參數(shù)環(huán)境下，數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)和規(guī)律，與實驗結(jié)果基本相符，具有可信度。因此，在缺乏實驗設(shè)施的條件下數(shù)值分析具有一定的導(dǎo)向作用。撲翼氣動分是研究撲翼的撲動幅度、扭轉(zhuǎn)幅度、撲動頻率以及翼形尺寸等各個參數(shù)對升力推力的影響，通過仿真結(jié)果的對可實現(xiàn)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動的優(yōu)化，同時也指導(dǎo)動力翼形的設(shè)計，最關(guān)鍵的是通過氣動分析可判斷飛行器飛行的可能性。本文的主要目標(biāo)是依托8字撲動機(jī)構(gòu)設(shè)計樣機(jī)撲翼的運(yùn)動函數(shù)已經(jīng)在第三章給出，其運(yùn)動情況基本上符合規(guī)律，只是在翼的軌跡上略有差異。本章將主要針對此撲動方程依據(jù)NA軟件的流固耦合功能對撲的氣動特進(jìn)行分析，流程簡圖如圖4-1所示。N-FSI是流固耦合求解器，求時同時需要固體模型數(shù)據(jù)和流體模型數(shù)據(jù)其優(yōu)勢是不僅可以對剛性翼進(jìn)行分析，也可以對柔性翼進(jìn)行耦分析。建立模型固體模型流體模型固體文件（.d）流體模型

流體文件（.d）ADINAFSI耦合求解計算結(jié)果后處理圖4-1撲翼氣動分流程簡圖1氣動分析理論依據(jù)..1IA簡介NAuoatcDynacIceenalNonnerAayss)是美國ANA&D公司的一款有限元分析軟件具有優(yōu)秀的計算仿真能力，可用于固體分析、流體分析、熱分析及多物理場的耦合分等，并且能為用戶提供復(fù)雜問題的解決方案。這款軟起初是麻省理工大學(xué)的教授K..te博士帶領(lǐng)團(tuán)隊于1975年開發(fā)的是一功能全面有限元分析軟件早期的DNA是非商業(yè)性質(zhì)的軟件源代碼流傳到各個領(lǐng)域，后來被很多商業(yè)有限元軟件參考和沿用NA的優(yōu)勢在于不僅具有單物理場的計算能力而且還具有強(qiáng)大的多物理場的耦合計算力，這更接近處理實際問，因為實際問題大多都是多場的耦合問。由于NA強(qiáng)大的非線性功能，廣泛的被工程界、教育界及科研院所采用。..2氣動分原理之前的研究已經(jīng)證實，柔性翼具有剛性翼無法比擬的優(yōu)越，這主要是針對一維直撲的運(yùn)動情況中國科學(xué)院的張永立指出，對于多維運(yùn)動的撲翼，撲翼自身存在主動的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過氣動分析得出，剛性翼和柔性翼具有同樣的趨勢，結(jié)果相差不大，而且采用剛性翼可以大大簡化計算過。因此，本章依據(jù)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的8字撲動，采用剛性模型進(jìn)二維流分析。撲翼飛行器的尺度小，飛行的雷諾數(shù)一般在102-14之間這種環(huán)境的流場屬于非定常流場。氣分析主要研究8字撲動的懸停能力與昆蟲相似，在懸停飛行時，撲動平面水平，來流速度為，因其流場環(huán)境為非定常低速不可壓流場，二維Nve–Soks方程為：uv0

4-1)u u

x yu p

12u

2uu v

4-2)t x y

x Rex2

y2vuv

vv

p

12v

2v

4-3)t x y

y Rex2

y2式中u,v——流體分別沿,y方向的速度；t——時；p——壓。雷諾數(shù)e被定義為：

Rexc

4-4)其中——空氣密度kg/3；max——最大撲動速度；——流體動力粘度系數(shù)P·；c——平均弦長。max產(chǎn)生的位置是下?lián)浠蛘呱闲谐痰闹袚湟硭臍鈩恿可以通過對撲翼的下表面和上表的應(yīng)力值進(jìn)行積分求得出，公式如式4-5：cF0

ludl

4-5)其中l(wèi)和u分代撲翼下表面和上表面應(yīng)力張量。根據(jù)撲翼所受的合力可以很方便的求出x方向和y方向上的兩個分力H和V，V即為撲翼飛行器所產(chǎn)生升力，H是水平拖拽力與穩(wěn)定性有通常用無量綱數(shù)CH和V來描述水平力和垂直的大，CH和V被定義為：CH

2H ,V2c

V

2VV2c

4-6)x x撲翼的運(yùn)數(shù)根據(jù)第三章的8字撲動機(jī)構(gòu)，由tb仿真得出，其他影響撲翼氣動受力的因素主要有弦長、翼展和頻率，弦長與翼展有一定的尺寸關(guān)系，但是基于生物學(xué)上的參考由于運(yùn)動和撲翼的差異也根具體情況具體分析。2模型建立..1固體模建立昆蟲的薄翼可以簡化成一懸梁單元2D固體模選取的弦長是平均弦長，對于半橢圓翼和形狀相似的翼，通常選取展向中點位置的弦進(jìn)行分析計算。建立模型時弦厚與弦比選為1：100。運(yùn)動數(shù)據(jù)也選取展向中點的運(yùn)數(shù)據(jù)，根據(jù)昆蟲系留飛行的實[5]發(fā)現(xiàn)，弦長與中點撲動行程的約為1：2.5，所以根據(jù)翼展和撲動幅值條件確定弦長。固體模型的建立是在DNAStrtrs模塊下完成，其流程圖如圖4-2所示，其中各部分設(shè)置屬于并列關(guān)系，隨時修改任何一部分的參數(shù)，不會對其他設(shè)造成影響圖中所示單元組包含固體模型的屬性例如2D單元梁單元等約束條件是建立剛性連rgdnk，使翼型的四條界與運(yùn)動控制點相連，所有的運(yùn)動載荷都只施加到運(yùn)動控制點上由控制點控制整個模型的撲動和轉(zhuǎn)動同時剛性連接的作用還包約模型邊界在運(yùn)動過程中不變形，使其保為剛性翼模型，這個功能還可以使材料的剛度設(shè)置省略掉。但是剛度設(shè)置不可以為零，因此這里設(shè)置楊氏模為5p。固體模型設(shè) 設(shè)建 置 建 置立 固 立 耦單 體 網(wǎng) 合元 材 格 邊組 料 界

建 建 施立 立 加約 時 運(yùn)束 間 動條 函 載件 數(shù) 荷固體文（.dt）圖4-2固體模型建立流程圖控制點表示撲翼的展向扭轉(zhuǎn)中心生物中通常有三位置情況翼型頂端(p、上14處和中點(d。通常學(xué)者們都是針對上端點和中點進(jìn)行研究這是兩種特殊的情況一種只一端轉(zhuǎn)動另一種兩端等速轉(zhuǎn)動根據(jù)第二章昆蟲的飛行機(jī)理，兩者勢必會有不同的氣動特性本章將對上14處的情況也進(jìn)行探討。時間函數(shù)導(dǎo)入tb仿真得出的運(yùn)動數(shù)據(jù)然后以載荷形式施加到控制點上。時間步既有計時的作用也有計步的作用，設(shè)置過多會大大增加計算量，設(shè)置過少又捕捉不到運(yùn)動特性因此在運(yùn)動不失真的情況下通常一個周期取20~100步之間，具體根據(jù)實際情況而。NA的求解過程是從第二步開始的，第一步用于初始化條件，因此在建立時間函數(shù)時應(yīng)預(yù)留第一。氣動分析是在靜的流場中進(jìn)的，這環(huán)境下，撲動達(dá)到3個周期之后，流場的運(yùn)才趨于穩(wěn)定，這個結(jié)論在后面的結(jié)果中也可以清楚的看到因此設(shè)定計算時間得少于6個期，多余的周期用于分析流場穩(wěn)定后的動規(guī)律。由尺度律的統(tǒng)計表明，直立飛行對翼展和頻率等條件的要求都要高于水平飛行由于新型樣機(jī)有質(zhì)量上的優(yōu)化設(shè)計重量為20由統(tǒng)計規(guī)律初步設(shè)模型翼展并做調(diào)為28c，弦長根據(jù)1：2.5的條件初選為5c，建立固體模型如圖4-3所示示例為控制點在上14處的情同時建立同條件下弦長為9m的模型進(jìn)行分析對比。圖4-3撲翼固體模型圖中撲翼模型建立為2-Sod單元，右側(cè)是控制點處的放大圖，其中橫線表示固體網(wǎng)格，網(wǎng)狀線表示剛性連接(rgdnk)，邊界設(shè)定為流固耦合邊界FSIboudry，箭頭表示施加載荷的位置，左側(cè)的標(biāo)識說了施加載荷的種類，分別是位移載荷轉(zhuǎn)動載荷模型設(shè)置好后生成固體算例文件。..2流體模建立流體模型在NACFD模塊中建立流體模型和固體模型統(tǒng)一為國際單位。流體模型中沒有時間函數(shù)只有時間步的設(shè)置，時間步須與固體模型一致。模型建立流程如圖4-4所示。流體模型設(shè) 設(shè)建 置 建 置立 流 立 邊單 體 網(wǎng) 界元 材 格 條組 料 件流體文件（.d）圖4-4流體模型建立流程流體單元為2-ud單元流場區(qū)域為cc的矩形區(qū)域流體材料參數(shù)設(shè)置為5kg/3，805P·，其他參數(shù)默認(rèn)，不考慮熱因素應(yīng)用完全動網(wǎng)格(uldptvees技術(shù)建立流體單元網(wǎng)，流體外邊界設(shè)置為壁面條件a，內(nèi)部模型設(shè)置特殊邊界條件為流固耦合邊Fud-SrtueInre，并且施加無滑移邊界條件應(yīng)用NA自動畫分網(wǎng)格的功能建立網(wǎng)格如圖4-5所示。固體邊界附近網(wǎng)格密集可以很好的捕捉耦合邊界附近的流場變化，使計算所得結(jié)果更準(zhǔn)確流體模型建立好之后生成算例文件利用DN-FSI求解器同時導(dǎo)入固體模型文件和流體模型文件進(jìn)行計求。16c壁面條件16c16c

流固耦合邊界3氣動結(jié)果分析

圖4-5流體模型網(wǎng)示意圖NA軟件內(nèi)部沒有單位定制，所用的參需要自行統(tǒng)一單，這種無量綱的分析方式會加快計算的速。當(dāng)參數(shù)統(tǒng)為國際單位制時，分析所得出的受力單位為P。撲翼模型從流場靜止開始撲動經(jīng)過3個周期之后，流場才趨于穩(wěn)定這可以從分析曲線圖看出因此有意義的數(shù)是從第4個周開始圖4-6所示是弦長為5c控制點在弦線中點撲動頻率為16Hz的節(jié)點壓云圖圖中可以看出在整個撲動周期中基本上沒有負(fù)升力在上下?lián)鋭拥霓D(zhuǎn)之間有一個區(qū)間，這個區(qū)間內(nèi)下表面的壓力很小而上表面存在一定的負(fù)，也能產(chǎn)生很小的升力。將撲翼上下表面測得的壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入tb計算所得升力系數(shù)CV曲線和水平拖拽力系數(shù)CH曲如圖4-7所示，仿真時間8個周期，圖顯示為后四個周期曲線。可以看出在一個撲動周期內(nèi)有兩個升力峰值負(fù)升力的產(chǎn)生在兩個周期交替之間，并且值很小，時間很短。水平拖拽力影響飛行器的平穩(wěn)性，大小與撲翼扭轉(zhuǎn)角度有，曲線不對稱說明撲動平面水平時，水平方向受力不平衡。0.004s 0.006s 0.012 0.0180.024 0.03 0.036 0.0420.048 0.054 0.06 圖4-6md16z的壓力云圖.5 52.5CVCV

.5CHCH.50

.5t/Tt/T456784567t/Tt/T4567845678tT/T圖4-7md16z升系數(shù)和水平拖拽力系數(shù)曲線圖48所示是d16Hz一個周期內(nèi)的速度云圖其顯示為速度的絕對值，圖像從第4個周期開始顯示因此在開始時存在上一周期遺留速度從0.008-0.02s和0.048-0.06s的圖中可以看出，撲翼產(chǎn)生的尾渦在撲動中不脫落即延遲脫效應(yīng)，在0.006-0.008s和0.042-0.046s的圖中撲翼撲動捕捉了上一行程的尾跡即尾跡捕捉機(jī)，這是昆蟲的兩種高升力機(jī)制，翻轉(zhuǎn)效發(fā)生在0.028-0.042s之間，不是很明顯。0.006 0.008 0.012 0.0160.018 0.02 0.024 0.0280.032 0.036 0.042 0.0460.048 0.052 0.054 0.0580.06 0.0625 圖4-8md16z速度云圖圖49所示為d16Hz情況的速度矢量圖，圖中可直觀的看出氣渦的旋向和空氣的流及方向在0.024-0.036s之間可以看出微弱的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)每個撲動行程將空氣推向下方，產(chǎn)生升，這也是多維撲動的優(yōu)。0 0.006 0.012 0.0180.024 0.03 0.036 0.0420.048 0.054 0.062 圖4-9md16z速度矢量圖對比d情況、撲動頻率為7H、12z和16Hz時的V值，如圖4-0所示，可以看出流場從靜止開始運(yùn)動，前三個周期存在擾動，第4個周期趨于穩(wěn)，運(yùn)動控制點相同的情況下，不同的撲動頻率對升力系數(shù)的影響不大，整體上基本沒有變化只有峰值處略有不不不同頻率條件所受升力相差很大如圖4-所示，頻率越大，升力越。zz3.52V.5V1.50.5

zt/T0 1 2 3 4 5 6t/T/T圖4-10md況3種撲動頻率下的升力系數(shù)z4 zz3FvVFvV/N10T0 1 2 3 4 5 6Tt/T圖4-1md情況三種撲動頻的升力曲線控制點位置不同時對升力系數(shù)也有不同的影響，圖4-12所示是撲動頻率為12z時，控制點位置為p、14和d情的升力系對，如圖，三種情況的升力系數(shù)相差不大，隨著控制點的下移，升力系數(shù)不斷減小因此撲翼可以選取p位置進(jìn)行設(shè)計，同時理論上講，p位置更有利于發(fā)揮翼的柔性效應(yīng)。.52

mid/4.5CVCV.50.5

t/T3 .5 4 .5 5 .5 6t/Tt/T圖4-12控制點不同位的升力系數(shù)此外以12Hz為例研究了弦長對升力的影響如圖4-13所示當(dāng)弦長從5cm增加到9cm時，同一時刻撲翼的受力大大增加。弦長為5cm b)弦長為9cm圖4-13不同弦長的受力比較4本章小結(jié)撲翼的氣動分析是撲翼飛行理論研究重要過程，不可以驗證撲翼的運(yùn)動規(guī)律還可以指導(dǎo)翼形的設(shè)和優(yōu)化本章應(yīng)用DNA的流固耦合功能把仿昆蟲機(jī)翼簡化成2D梁單元針對8字撲動進(jìn)行了空氣動分析研究顯示撲動平面水平時8字撲基本上沒有負(fù)升力的產(chǎn)生通過對所研究的幾種模型對比表明，撲翼所受的在所設(shè)置的頻率范圍<20H，隨著頻率、弦長和翼展的增加而增大并且當(dāng)運(yùn)動控制點在頂即前緣時產(chǎn)生的升力最大此外通過氣渦云圖分析可以看出來8字撲動具有昆蟲的延遲脫落翻轉(zhuǎn)效和尾跡捕等高升力機(jī)制，理論上具實樣機(jī)的可行性。第章?lián)湟順訖C(jī)設(shè)計撲翼飛行器設(shè)計的最終目是形成樣機(jī)。前幾章對撲翼飛行機(jī)理、撲動方式以及氣動分析的研究，只是在理論上形成概念樣機(jī)而真正的工程樣機(jī)需要考慮材料動力加工等一系實際的問同樣機(jī)也是驗證理論研究重依據(jù)。本文的整體設(shè)計目標(biāo)是基于8字撲動機(jī)構(gòu)設(shè)一款重量不超過20，翼展不超過30c，直立飛行的撲飛行。撲翼飛行器的樣大體上包括三個系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)關(guān)系到撲翼的動作和氣動力的大小，是飛行器能否飛行的關(guān)鍵，本文只這兩部進(jìn)行設(shè)計，由于篇幅和時間有限，控制部分暫不作考慮，總體設(shè)計藍(lán)圖如圖5-1所示本文主要是對多維撲動機(jī)構(gòu)的前期驗證設(shè)因此暫時也不考機(jī)身細(xì)。整體設(shè)計目標(biāo)仿生學(xué)依據(jù)

具體化

氣動分析依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)氣動系統(tǒng)控制系統(tǒng)撲動機(jī)構(gòu)氣動系統(tǒng)控制系統(tǒng)

減速機(jī)構(gòu)

動力系統(tǒng)

撲翼 機(jī)身 尾翼

運(yùn)動控制 通信 定位 數(shù)據(jù)處理測試優(yōu)化制造加工測試優(yōu)化撲翼飛行器圖5-1撲翼飛行器總體設(shè)計規(guī)劃1樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計..1撲動機(jī)構(gòu)撲動機(jī)構(gòu)撲翼飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接驅(qū)動機(jī)翼上下?lián)鋭?，提飛行所需的升力和推力，是撲翼飛行器的最重要組成部分。在功能滿足條件的情況下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)要尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)，同撲動機(jī)構(gòu)還涉及到撲翼的運(yùn)動規(guī)、靈活