仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化
仿昆扑翼微飞行器的悬飞气动力分析及优化设计与制造研究.pptx
仿昆扑翼微飞行器(FWMAV)是一类厘米尺度的空中飞行机器人。 通过模仿飞行昆虫的扑翼翅运动模式,它能够实现与扑翼飞行昆 虫相似的悬飞能力和敏捷的机动性。
因其在未来的军民领域中拥有广阔的应用前景,目前有关仿昆 FWMAV的研究已成为国内外部分重要科研机构和研发单位的热门 研究课题。本论文开展了有关仿昆扑翼微飞行器的悬飞气动力 分析及优化设计和制造研究。
再次,为仿昆FWMAV的设计提供理论最优的翅膀形貌学和运动学 设计参数,首次建立了动态比例可缩放翅膀的无量纲保形参数化 描述,并采用结合了单纯形搜索的混合遗传算法(Hybrid-GA),首 次开展了扑翼悬飞能耗最小时的翅膀几何学和运动学参数组合 优化。组合最优化结果给出了最优的翅膀形貌学参数和翅膀运 动学模式。
针对选定的压电驱动仿昆FWMAV,采用了可行的被动柔性铰链来 实现翅膀的被动俯仰。为了设计和制造出具有较高能量密度的 压电驱动器,基于层合板理论和复合材料力学的基本力学分析模 型,深入地开展了双晶片悬臂梁型压电弯曲驱动器的静态线性和 非线性模型以及动态非线性模型和的建立和基本参数的预测以 及优化分析。
通过与采用动态机械比例果蝇翅模型测得的气动力和力矩的对 比,本文的扩展准稳态气动和惯性力/力矩模型的适用性得到了 验证和生效。其次,针对扑翼悬飞的翅运动模式的动力学实现机 制,作者基于经典欧拉动力学理论和上述的扩展准稳态模型首次 建立了扑翼悬飞时两自由度翅拍动力学完整方程,采用常用非线 性常微分方程求解算法、边界值问题求解数值算法和最小二乘 优化算法,首次成功地给出两自由度非线性高度耦合的微分方程 的数值解,并获得了一系列驱动力矩和铰链刚度系数等设计参数。
它包括以下几个方面:首先,针对扑翼悬飞低雷诺数非稳态气动 力,基于已报道的准稳态气动力学模型,作者建立了扩展的准稳 态气动和惯性力/力矩模型。该模型与以前的模型有三点不 同:(1)引入了沿着翅平面弦向轴线的气动阻尼力矩;(2)提出了 平动环量和转动环量气动力压心的无量纲弦向位置分布是一致 的假设,这样可以使得转动环量气动力矩的计算变得可行;(3)包 含了翅膀平面质心转动引起的惯性力和力矩。
微扑翼飞行器的仿生结构研究
微扑翼飞行器的仿生结构研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于仿生学的研究越来越深入。
仿生学是模仿自然生物的形态结构、功能及行为特性，将其应用于解决人类问题的学科。
微扑翼飞行器的仿生结构研究正是仿生学在飞行领域的典型应用之一微扑翼飞行器是指通过翅膀的上下振动来产生升力，并通过对翅膀的控制来完成飞行任务的机器人。
其特点是体积小、质量轻、操纵灵活，可以在狭小的空间中进行灵活的操作，具有很大的应用潜力。
然而，由于微扑翼飞行器的工作原理和结构相对复杂，研究者们需要从仿生学的角度来理解和优化其结构。
在微扑翼飞行器的仿生结构研究中，研究者们主要关注以下几个方面的问题。
首先是翅膀的形态结构。
翅膀是微扑翼飞行器产生升力的关键部件，其形态结构直接影响飞行器的性能。
研究者们通过分析自然界中蝴蝶、蜻蜓等昆虫的翅膀结构，发现其具有独特的纹理和曲线形态，并据此设计出了一系列具有类似形态结构的翅膀。
这些翅膀的形态结构能够降低空气阻力、增加升力，并且能够在不同的工况下实现自适应变形，提高微扑翼飞行器的飞行性能。
其次是翅膀的材料选择。
为了实现仿生结构的设计，研究者们选择了一些具有特殊性能的材料。
例如，由于微扑翼飞行器的要求轻巧，研究者们选择了一些轻质的材料，如石墨烯材料，具有高强度和低密度的特点，使得微扑翼飞行器能够在有限的能量下完成飞行任务。
此外，研究者们还尝试使用可变刚度材料，通过改变翅膀的刚度来调整飞行器的飞行姿态和性能。
最后是翅膀的控制方法。
微扑翼飞行器的控制方法需要考虑多个自由度的问题。
研究者们通过分析昆虫翅膀的运动规律，发现其运动受到肌肉和神经系统的控制。
因此，研究者们提出了一种基于人工神经网络的控制方法，可以模拟昆虫的飞行控制机制，实现对微扑翼飞行器的高灵敏度控制。
综上所述，微扑翼飞行器的仿生结构研究是一项具有挑战性的任务，研究者们通过分析自然界中昆虫的翅膀结构和运动规律，设计出了一系列具有类似结构的翅膀，并开发了相应的控制方法。
微型扑翼飞行器扑翼机构优化设计
杆机构的运动方程为院
蓸 蔀 蓸 蔀 椎 = arctan
a b
- arccos
c
2
2
姨a + b
渊2冤
其中
a = - 2L4L6sin ( 鬃 - 琢 )
渊3冤
b = 2A 2L6 - 2L2L6cos ( 鬃 - 琢 )
c
=
L
2 5
-
A
2 2
-
L
2 4
-
L
2 6
+
2A
2L
4cos
(
鬃
-
琢
)
渊4冤 渊5冤
段的运动学方程为院
22
蓸 蔀 蓸 蔀 姨 tan 鬃- 仔 = 鬃- 仔 = A 1 -L 1 cos兹- L 2 -L 1 sin兹 渊 1 冤
2
2
L3
图 1 优化设计后的扑翼机构的运动简图
其 中 袁兹 是 扑 翼 机 构 的 输 入 角 度 袁鬃 是 扑 翼 机 构 中
四 杆 机 构 的 输 入 角 度 遥第 二 阶 段 运 动 学 方 程 袁也 即 四
得 到 资 金 等 方 面 的 支 持 袁因 此 袁平 台 建 设 和 更 新 速 度 很
叶工 程 力 学 曳课 堂 学 习 过 程 枯 燥 乏 味 袁也 直 接 影 响 着
科技视界sciencetechnologyvisionsciencetechnologyvision科技视界1设计原理为了提高传动性能尧减少摩擦尧便于制造袁应尽量避免机构中出现高副遥在扑翼机构的设计中袁如果杆件的连接均采用转动副袁连接扑翼的杆件的运动难以达到无滞后袁同步对称扑动的要求袁如delfly砖扑翼机构袁右扑翼杆件的扑动相对于左扑翼杆件的扑动存在滞后遥解决扑翼机构不对称扑动的问题袁可以将曲柄机构替换为滑块机构袁将连接左右扑动杆件的转动副替换为移动副遥存在滑块机构及移动副袁并能够使杆件对称扑动的六杆七副一般化铰链遥再由存在滑块机构移动副的再生运动链逆推袁得到衍生机构的运动简图遥在以上所得的满足扑翼机构进本设计条件的几种机构中袁可根据设计者的需要袁进行分析比较袁采用最适合的机构再进行综合和优化设计遥为了保证机构结构的简单可靠袁我们这里采用滑块机构移动副的再生运动链袁进行进一步的优化设计遥由于机构拟采用微型直流电机驱动袁其特性为转速大袁力矩小袁因此扑翼机构的设计还要具有降低转速尧增大力矩的功能遥基于此类特性袁滑块机构移动副的再生运动链机构中增加齿轮减速机构遥为了能够在扑翼机构中预留出齿轮减速机构的位置袁滑块机构的行程会相应地缩小袁为了保证扑翼杆件扑动的角度袁在2尧6扑翼杆件上增加四杆机构袁同时四杆机构的设计也有利于提高输出力矩遥然后袁将2尧6扑翼杆件上的移动副前移袁并在3尧5杆件的复合铰链位置处形成复合运动副遥2机构的优化设计优化设计后的单边扑翼运动简图如图1所示遥其杆件的长度和相应的位置关系在图中用相应的代号表示遥运动简图中袁可以把设计的机构看作由滑块机构和四杆机构通过移动副连接组成遥在对此机构进行运动学研究时袁可以将其分为两个阶段遥第一阶段的运动学方程为院tan鬃仔2蓸蔀鬃仔2蓸蔀a1l1cos兹l22l21sin兹姨l3渊1冤图1优化设计后的扑翼机构的运动简图其中袁兹是扑翼机构的输入角度袁鬃是扑翼机构中四杆机构的输入角度遥第二阶段运动学方程袁也即四杆机构的运动方程为院椎arctanab蓸蔀arccosca2b2姨蓸蔀渊2冤其中a2l4l6sin鬃琢渊3冤b2a2l62l2l6cos鬃琢渊4冤cl25a22l24l262a2l4cos鬃琢渊5冤为了使扑翼机构得到120毅的扑翼角度袁以及使上下扑动呈对称的形态袁基于渊1冤至渊5冤袁可以优化得到最终的各杆件长度以及相应的位置参数袁其参数如表1所示遥表1扑翼机构各杆
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人作为一种仿生机器人的重要形式，正在得到越来越多的关注和研究。
本文将介绍微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
首先，微型扑翼飞行机器人的设计方法在于模仿自然界中的昆虫飞行原理。
昆虫的独特飞行方式具有高效性和灵活性，因此成为微型扑翼飞行机器人设计的重要依据。
设计者需要研究昆虫的翅膀结构和运动方式，并将其应用于机器人的设计中。
通过仿生设计，机器人可以具备更好的飞行性能和机动性。
其次，微型扑翼飞行机器人的制造工艺需要兼顾材料选择和加工工艺。
首先，材料的轻量化和柔韧性是制造微型机器人的关键。
常用的材料包括碳纤维、聚合物材料等，这些材料具有较好的强度和韧性，同时又能保持机器人的轻盈和灵活。
其次，制造工艺需要满足微型机器人的复杂形态和运动需求。
采用微纳加工技术，如激光切割和3D打印等，可以实现微型机器人零件的精确制造和组装。
此外，为了实现机器人的高效飞行，还需要通过优化机翼和机体结构，提高机器人的空气动力学性能。
最后，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究面临一些挑战。
首先，微型机器人的能源供应是一个重要问题。
由于体积限制，传统能源系统难以满足机器人的长时间飞行需求，因此需要研究新型的微型能源系统。
其次，机器人的控制系统也是一个挑战。
微型机器人的飞行姿态需要实时调整和控制，因此需要设计高精度和高稳定性的控制系统。
综上所述，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究是一个复杂而又具有挑战性的领域。
通过模仿昆虫的飞行原理、选择合适的材料和加工工艺，并解决能源和控制系统等问题，可以为微型扑翼飞行机器人的发展提供指导和支持。
未来，随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人有望在军事、救援和勘探等领域发挥更大的作用。
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法仿生蝴蝶扑翼飞行器是一种通过模仿蝴蝶独特的飞行方式而设计的飞行器。
它能够在空中灵活操控，具有较好的机动性能和稳定性。
在本文中，将介绍一种制作仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的方法。
首先，我们需要准备一些材料和工具。
材料包括轻质的材料如薄金属片或塑料片，弹性线或者细线，小型电机，螺旋桨等。
工具则包括剪刀，胶水，钳子，锉子等。
1. 制作翅膀：使用剪刀将薄金属片或塑料片剪成蝴蝶翅膀的形状，大小可自行决定。
确保两个翅膀相对称，并且具有足够的扑翼空间。
然后使用锉子修整翅膀的边缘，使其光滑，减少空气阻力。
最后使用胶水将两个翅膀连接在一起，并且确保翅膀能够自由地扑动。
2. 安装电机和螺旋桨：选择一个小型电机并安装在飞行器的中心位置上。
将螺旋桨固定在电机轴上，确保可以有效地产生推力。
3. 制作拉线式转向机构：在飞行器的尾部或机身两侧的翅膀上，通过胶水或螺丝固定一个小轴。
使用弹性线或者细线将此小轴连接到电机上。
当电机旋转时，它将通过拉线转动翅膀，实现方向的改变。
完成以上步骤后，我们就成功地制作了仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构。
在使用时，只需将电机连接到能源供应，并确保翅膀可以自由地扑动。
通过控制电机的转动速度和方向，我们可以实现飞行器的正常飞行以及转向。
总结：仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法相对简单，只需准备适当的材料和工具，并按照上述步骤进行操作即可。
这种飞行器的设计灵感来自于蝴蝶的飞行方式，具有较好的机动性能和稳定性。
通过不断改进和调整，希望能够进一步完善这种仿生飞行器，并应用到更多实际应用场景中。
仿生微型扑翼飞行器飞行性能计算与分析
（１．西北工业大学 航空学 院，陕西 西安 ７１００７２；２．北京空天技术研究所 ，北京 １０００７４）
摘 要 ：仿 生微型 扑翼飞行 器是 近年 来 国内外 的研 究热点 ，飞行 性 能计 算是飞行 器总体设 计过程 中的 重要 步骤 。首先分析 了扑翼 飞行器与 常规 固定翼 飞行 器在 性 能估 算方 法方 面 的不 同之 处 ，基 于扑翼 气动计算与风洞实验测量的结果，提 出了扑翼飞行器性能计算方法，并对所研制的扑翼飞行器的平飞 性能 、爬升性 能 、续航性 能进 行 了计 算与分析 。扑翼 的频率在一 定程度 上代表 油 门 ，而频 率和升 力 、推 力均是耦合的关 系。计算结果表 明，在一定频率下，可能存在 ２种稳定巡航状 态，一种是 小迎 角大速 度 ，一种是 大迎 角小速度 ，两者对 应 不 同的 功耗 。根 据 飞行 器的参 数 可 以计 算 出上 升性 能和 续航 性 能 ，扑 翼飞行 器的速度 功率特性 曲线为 ｕ 字形 ，通过 作 图法 可求得 曲线 的最 小斜率 为远航 速度 ，Ｕ形 曲线的速度 最 小值 为久航 速度 。该飞行性 能计算 方法可 用于评 估仿 生扑翼飞行 器的飞行 能力。
飞行性 能计 算 与分 析是微 型 扑翼 飞行 器总 体设 计 过程 中的重 要步 骤 ，飞行 性 能 计算 主要 用 于检 验 设 计是 否满 足 总体方 案 要求 ，并 进 行相 应 的改进 ，最 终 给 出飞行 器详 细 的性 能指标 。是 使扑 翼 飞行器 具 备 良好 飞行 品质 ，完成 目标 任务 的重 要环 节 。 目前 ， 国外类 似领 域 的研究 主要 是生 物学 家对 鸟类 或 昆虫 飞 行做 出 的 孓”ｊ。本 文 首 先 分 析 了扑 翼 飞行 器 与 常 规 固定 翼 飞 行 器 在 性 能 计 算 方 法 方 面 的不 同 之 处 ，根据 当前 常用 的非 定 常 气 动特 性 计 算 和 风 洞 实 验 方法 ，建立 了扑翼 飞行 器性能 计算 方法 ，并 对所 研 制 的一 款扑 翼 飞行器 进行 了性 能计 算与 分析 。
小型仿生扑翼飞行机器人动力学优化设计研究
小型仿生扑翼飞行机器人动力学优化设计研究摘要：随着科技的不断发展，仿生学在机器人领域中的应用逐渐得到了广泛关注。
本文研究了一种小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计方法。
首先，通过对鸟类飞行的观察和分析，建立了仿生扑翼飞行机器人的运动学模型。
然后，根据该模型，利用优化算法对机器人的关键参数进行调整，以实现更加稳定和高效的飞行动作。
最后，通过实验验证了所提出的设计方法的有效性。
关键词：仿生学；扑翼飞行；动力学优化；机器人1. 引言扑翼飞行机器人是一种能够模拟鸟类等动物扑翼飞行动作的机器人。
相比于固定翼飞行器，扑翼飞行机器人具有更好的机动性和适应性，可以在狭小的空间中进行飞行和悬停。
因此，研究小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计具有重要的理论和实际意义。
2. 方法2.1 仿生学原理仿生学是通过模仿自然界的生物系统，从中汲取灵感和设计原则，来解决工程和科学问题的一门学科。
在本研究中，我们以鸟类的扑翼飞行为基础，将其运动学特征应用于机器人的设计。
2.2 运动学模型建立根据鸟类扑翼飞行的运动规律，我们建立了小型仿生扑翼飞行机器人的运动学模型。
该模型包括机器人的位置、速度和加速度等关键参数，并考虑了机器人与环境之间的相互作用。
2.3 动力学优化设计为了实现机器人的稳定和高效飞行，我们利用优化算法对机器人的关键参数进行调整。
通过改变机器人的翼展、翼面积、翼型等参数，使得机器人在飞行过程中能够更好地适应不同的环境和任务需求。
3. 实验结果与讨论我们通过实验验证了所提出的动力学优化设计方法的有效性。
实验结果表明，通过优化设计的机器人在飞行过程中表现出更好的稳定性和机动性，能够更好地应对复杂的环境和任务需求。
4. 结论本研究通过对小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计，实现了机器人的稳定和高效飞行。
该研究为小型仿生扑翼飞行机器人的设计和应用提供了重要的理论基础和技术支持。
仿生扑翼飞行机器人自主飞行控制系统设计
控制策略验证：验证控 制策略在实际飞行过程 中的有效性，如姿态控 制、飞行路径规划等。
安全性能评估：评估机 器人在遇到突发情况时 的应急处理能力，如避 障、悬停、自动返航等 。
通过以上实验设置与环 境、飞行实验执行与数 据收集、实验结果分析 与评估的内容，可以对 仿生扑翼飞行机器人自 主飞行控制系统进行全 面、系统的验证，为后 续的优化和改进提供有 力支持。
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驱动设计
驱动系统是实现扑翼飞行机器人自主飞行的关键部分。可以 选择电动、气动或液压等驱动方式，根据机器人设计和飞行 需求选择合适的驱动方式，同时需要设计相应的驱动接口和 传动装置。
传感器选择与集成
惯性测量单元（IMU）
高度计
IMU可以测量机器人的加速度、角速度和 姿态角等信息，是实现飞行稳定和自主导 航的重要传感器。
02
03
数据预处理
数据融合
对原始数据进行滤波、去噪、校 准等预处理操作，提取有效信息 。
将不同传感器的数据进行融合， 如通过卡尔曼滤波算法，提高数 据精度和可靠性。
人机交互与遥控接口
图形用户界面
设计直观易用的图形用户界 面，实时显示飞行机器人的 状态参数、飞行轨迹等信息 。
遥控指令解析
解析从遥控器接收到的指令 ，转换为飞行机器人可识别 的控制信号。
仿生扑翼飞行机器人 自主飞行控制系统设 计
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目录
• 引言 • 控制系统硬件设计 • 控制系统软件设计 • 自主飞行实验与验证 • 系统优化与未来工作
01
引言
仿生扑翼飞行机器人概述
仿生设计
仿生扑翼飞行机器人是模仿自然界中的鸟类或昆虫的飞行原理设计的机器人， 具有独特的扑翼机构，能够实现类似于生物的飞行动作。
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这样扑翼机构就会很庞大 。 为了改变这种状况 ,作者提出一种翅翼共振激励放大
驱动机理 。微扑翼飞行器的弹性翅翼可以看作薄壁型的悬 臂梁 ,它在所需翅翼工作频率范围内有 2种基本的振动模 态 :一阶弯曲和一阶扭转 。当压电致动器的激励频率等于 或接近弹性翼的一阶弯曲固有频率时 ,即会引起弹性翼一 阶弯曲的共振 ,这样翅翼就会有大幅度的拍打动作 ,如图 3 所示 。同样可使得机翼产生大角度的扭转 。如果弹性翼弯 曲与扭转的频率比较接近 ,选择适当的激振频率就能得到 所需要的拍打与扭转的耦合动作 ,如图 4所示 。
(1西北工业大学 ,西安 710072; 2 西安理工大学 ,西安 710048)
摘 要 :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设计和优化问题 。通过对 3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 。文中的建模 、分析方法和结论对微扑 翼飞行器的分析 、设计和应用提供了一定的理论依据 。 关 键 词 :微扑翼飞行器 ;扑翼 ;仿生 ;昆虫翅翼 ;有限元 ;模态优化 中图分类号 : TB115 文献标识码 : A
2 几种仿昆虫翅翼的有限元模态分析与比较 各种昆虫均是最为灵活机动的飞行器 ,尽管很多飞行
方式相当简单 ,但某些昆虫 (比如家蝇 、蜻蜓 )通过微妙精 致的神经系统和复杂的翅翼结构相互结合却显示出具有惊 人的特技飞行能力 。现在已经越来越清楚 ,昆虫的飞行技 巧和飞行方式的多样性大半是来源它们翅翼多种多样和微 妙复杂的结构 [8 ] 。
现在国内外对微扑翼飞行器和昆虫飞行的研究尚处于 初步阶段 ,但已有了许多工作 。1973 年 , W eis2Fogh[2 ]在对 黄蜂研究的基础上 ,提出了一种产生升力的振翅拍击和挥 摆急动机构 。 Ellington[3 ]采用活的吊飞昆虫进行流场显示 实验 ,证明了使昆虫 获 取 升 力 的 前 缘 涡 的 存 在 。D ickin2 son[4 ]对果蝇的自动拍击模型的流场显示和气动力的测量 研究也表明了这一点 。曾理江 [5 ]等人从测量昆虫运动参 数的光学测量方法入手 , 研究了昆虫飞行运动机理 。孙 茂 [6, 7 ]等人用 Navier2Stokes方程数值解研究了模型昆虫翼
Abstract: A p iezoelectrically actuated flapp ing mechanism by sympathetic vibration was developed for flapp ing2w ing M icro A ir Vehicles (MAV s) , and the biom imetic w ings design and modal op tim ization ap2
文只关心仿昆虫翅翼的几何外形以及翅的脉络布局对翅翼 模态的影响 ,而且同属昆虫类 ,它们的材料特性不至相差太 远 ,因此翅脉材料特性仍沿用前面分析所用的数据 。
w ing MAV s. Key words: Flapp ing2w ing; MAV; B iom im etic; Insect w ings; Op tim ization; Finite element method
近年来 ,微型飞行器 (M icro air vehicle,缩写 MAV )的研 究越来越引起人们的重视 。当 MAV 尺寸进一步减小时 ,若 用常规固定翼气动布局 ,会有低雷诺数下不能产生足够的升 力以平衡重量 ,无法提供控制所需要的力等问题出现 。而与 MAV雷诺数相当的鸟或昆虫却是飞行的佼佼者 ,因此 ,模仿 鸟或昆虫飞行方式的微扑翼飞行器 ( Flapp ing2wing MAV )将 是 MAV进一步发展的必然选择 。根据仿生学和空气动力学 研究结果可以预见的是 ,在翼展小于 15 cm 时 ,扑翼飞行比 固定翼和旋翼飞行更具优势 [1 ] 。扑翼飞行是自然界赋予的
本节具体通过对几种自然界典型的扑翼飞行昆虫翅膀 的有限元模态分析 ,进一步揭示适合扑翼运动的翅翼其材 料和结构的特性 ,从而运用到我们设计的微扑翼飞行器上 。 2. 1 仿飞蛾翅翼的模态分析
根据真实的飞蛾翅翼的外形与脉络布局得到仿蛾翼的 简化几何结构模型如图 5所示 。
翼的翅脉被看作三维管状梁且有着不同的厚度 ,根据 文献 [ 9 ] ,仿蛾翼模型的几何与材料属性如下 :弹性模量 E = 1010 N /m2 ,密度 ρ= 1200 kg /m3 ,质量 Mwing = 39. 743 m g,
332
机械科学与技术
第 24卷
单向翼展 rw = 5. 619 ×10 - 2 m ,翼的厚度 t = 55 μm ～33 μm (从根部到翼尖线性变化 ) ,翅脉平均横截面积 A = 1225 × 10 - 11m2 ,翅脉抗弯截面模量 Irr = 8. 625 ×10 - 17 m4。蛾翼有 限元模型的质量分布 ,质量中心以及回转半径尽量与典型 的蛾翼相同 。
1 微扑翼机构的设计及其对翅翼的要求 微扑翼飞行器所需要的微型驱动机构要求具有大的周
期性拍动角度 (30°～150°)和扭转角度 (10°～90°) ,高扑翼 频率 (10 Hz～100 Hz) ,以及用于克服空气阻力较大的输出 力 。同时微扑翼驱动器还要求重量轻 ,效率高 ,尺寸紧凑 。 设计适当的由压电致动的微驱动机构完全能满足所有这些 要求 。图 1为悬臂梁式的单压电晶体致动器结构简图 。
图 1 压电致动器
由于在一定电压下 ,压 电致动 器 所 能 产 生 的 位 移 δ非常小 , 压电悬臂梁的弯 曲角度 远 远 小 于 扑 翼 所 需 要的角度 ,因此需要把位移 放大 。美国加州大学 [10 ]所 研制的微扑翼飞行器采用 图 2 扑翼四连杆放大机构 柔性铰链四杆放大机构 ,如 图 2所示 ,翅翼装在连杆 B C 上 , AB 杆由压电晶体梁牵动 , 通电后压电致动器上下振动就带动着连杆上的翼上下扑 动 ,达到所要求的幅值 。昆虫翼有 2种基本的动作 :拍打与 扭转 。为实现机翼的扭转 ,需要前后缘连接两套放大机构 ,
收稿日期 : 2004 01 14 基金项目 :国防基础科研项目和西北工业大学博士创新基金资助 作者简介 :刘 岚 (1974 - ) ,男 (土家 ) ,湖南 ,博士研究生
E2mail: liulan@ Tom. com
一种最成功的飞行方式 ,尤其是昆虫 ,它对研究扑翼飞行意 义特殊 。鸟和蝙蝠的翅膀结构很复杂 ,像手臂一样通过肌肉 来控制肘 、腕等的弯曲 ,但昆虫翅翼则不同 ,它们只在翅翼根 部有肌肉 ,翅翼的状态只能从根部来控制 。所以昆虫为微扑 翼飞行研究提供了一个相对简单的模型 。
p roaches associated w ith this flapp ing mechanism s were studied using finite elem ent m ethod. The vibration characteristics ( natural frequencies and mode shapes) of som e insect w ings were determ om im etic W ings D esign and M oda l O ptim za tion for Flapp ing2W ing M AVs L IU Lan1 , FANG Zong2de1 , HOU Yu1 , FU W ei2p ing2 , WU L i2yan1 (1 Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072; 2 Xi′an University of Technology, Xi′an 710048)
第 3期
刘 岚等 :仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化
331
作非定常运动时气动力特性 ,解释了昆虫飞行产生高升力 的 3个机制 。除了以上对扑翼飞行机理研究 ,在昆虫翅翼 结构和飞行技能之间的相互关系方面 ,Wootton[8 ]研究了各 种昆虫翅翼的力学结构 ,认为昆虫翅翼在工程和结构设计 上的微妙之处表明它高度适应特技飞行 。 Sm ith[9 ]通过有 限元方法将蛾翼模拟成线弹性结构从而考虑柔性效应 ,研 究了蛾翼柔韧性对其空气动力学特性的影响 。但是什么样 的仿生翅翼适合于制作微扑翼飞行器 ,国内外文献并没有 给出结论 。
these w ings as linearly elastic structures using finite elem ents. Then the characteristics of geometric shapes
and the nervure position of biom imetic w ings were used to support the sympathetic vibration flapp ing mechanism s. In the foundation of the biom imetic w ing′s model, the modal op tim ization method was stud2 ied, considering different param eters such as aspect ratio and key node coordinates of w ing′s nervure. The modeling and analysis method, as well as the conclusions are suitable for design and analysis of flapp ing2
第 24卷 第 3期 2005年 3月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IENCE AND TECHNOLOGY