仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化
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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
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 。
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
设计和制造具有良好动力学特性的高效仿生翼 ,是仿 生微扑翼飞行器研究中富于挑战性的一个研究难题 。昆虫 翅翼很轻 ,但通过高频振动 ,加上非定常空气动力学特性 、 变化的几何参数 、灵活的变形以及快速的自适应生物系统 来达到它们杰出的飞行性能 ,这些都是经过千百万年的进 化得到的 ,其结构特征极具合理性 ,要用机械来完全模仿几 乎是不可能的 。目前已经设计的翅翼结构 ,从结构特性 、运 动和动力特性来说 ,与昆虫翅翼运动性能相比差距很大 。 本文进行仿生翅翼研究并不是要完全模仿昆虫翅翼 ,而是 在研究昆虫翅翼结构和运动特性的基础上 ,提取精髓并进 行简化与优化 ,从而开发出有更优运动性能的自定义仿生 翅翼 。
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 ined by modeling
拍动的翅翼基本上都是些悬臂梁型的结构 。传统的昆 虫翅翼由坚韧而又富有弹性的翅膜及支撑翅膜的相当刚硬 的沿翅翼纵向外伸的翅脉以及将纵脉相互连接到一起的若 干横脉组成 。纵脉一般呈管状 ,其内一般均包含有血管和 充满空气的气管 。加上翅翼上为数众多的横脉 ,翅翼就形 成了一种坚固的桁架结构 。翅翼是一种超级的天然复合材 料 ,它的材料特性 ,尤其是它的强度之高和重量之轻是很少 见的 。由于各种昆虫的翅翼大小形状以及翅脉布局的不 同 ,其动力学性能也会不尽相同 。
B iom 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 24卷 第 3期 2005年 3月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 24 No. 3 M arch 2005
文章编号 : 100328728 (2005) 0320330205
仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化
刘 岚
刘 岚 1 ,方宗德 1 ,侯 宇 1 ,傅卫平 2 ,吴立言 1
收稿日期 : 2004 01 14 基金项Байду номын сангаас :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 。
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 。
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 。
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 ,
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 。
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,
(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
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
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 。
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 ] 。
图 3 共振激励扑翼放大示意图 图 4 弹性翼频率响应示意图
共振激励驱动的微扑翼机构对翅翼有 3点要求 :一是 翅翼的低阶固有频率在致动器激励频率的范围内 ;二是翅 翼的前两阶振型必须是低阶模态 ,即一阶弯曲与一阶扭转 ; 三是翅翼的第一阶固有频率 (弯曲 )与第二阶固有频率 (扭 转 )要尽可能接近 。
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 。
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
设计和制造具有良好动力学特性的高效仿生翼 ,是仿 生微扑翼飞行器研究中富于挑战性的一个研究难题 。昆虫 翅翼很轻 ,但通过高频振动 ,加上非定常空气动力学特性 、 变化的几何参数 、灵活的变形以及快速的自适应生物系统 来达到它们杰出的飞行性能 ,这些都是经过千百万年的进 化得到的 ,其结构特征极具合理性 ,要用机械来完全模仿几 乎是不可能的 。目前已经设计的翅翼结构 ,从结构特性 、运 动和动力特性来说 ,与昆虫翅翼运动性能相比差距很大 。 本文进行仿生翅翼研究并不是要完全模仿昆虫翅翼 ,而是 在研究昆虫翅翼结构和运动特性的基础上 ,提取精髓并进 行简化与优化 ,从而开发出有更优运动性能的自定义仿生 翅翼 。
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 ined by modeling
拍动的翅翼基本上都是些悬臂梁型的结构 。传统的昆 虫翅翼由坚韧而又富有弹性的翅膜及支撑翅膜的相当刚硬 的沿翅翼纵向外伸的翅脉以及将纵脉相互连接到一起的若 干横脉组成 。纵脉一般呈管状 ,其内一般均包含有血管和 充满空气的气管 。加上翅翼上为数众多的横脉 ,翅翼就形 成了一种坚固的桁架结构 。翅翼是一种超级的天然复合材 料 ,它的材料特性 ,尤其是它的强度之高和重量之轻是很少 见的 。由于各种昆虫的翅翼大小形状以及翅脉布局的不 同 ,其动力学性能也会不尽相同 。
B iom 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 24卷 第 3期 2005年 3月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 24 No. 3 M arch 2005
文章编号 : 100328728 (2005) 0320330205
仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化
刘 岚
刘 岚 1 ,方宗德 1 ,侯 宇 1 ,傅卫平 2 ,吴立言 1
收稿日期 : 2004 01 14 基金项Байду номын сангаас :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 。
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 。
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 。
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 ,
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 。
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,
(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
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
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 。
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 ] 。
图 3 共振激励扑翼放大示意图 图 4 弹性翼频率响应示意图
共振激励驱动的微扑翼机构对翅翼有 3点要求 :一是 翅翼的低阶固有频率在致动器激励频率的范围内 ;二是翅 翼的前两阶振型必须是低阶模态 ,即一阶弯曲与一阶扭转 ; 三是翅翼的第一阶固有频率 (弯曲 )与第二阶固有频率 (扭 转 )要尽可能接近 。