工程力学毕业论文仿生机翼设计相关问题探究
基于仿生学的羽翼设计与优化研究

基于仿生学的羽翼设计与优化研究近年来,随着科技的发展和人们的不断探索,仿生学成为了研究热点之一。
仿生学是从生物学中发展而来的一门综合性学科,它研究的是生物体结构、功能及其演化机制,通过对生物体的研究和模仿来解决工程、医学、农业、生物维权等领域的问题。
在航空、交通等领域中,人们发现了动物身上独特的飞行结构和动作方式,这些结构具有优良的性能,因此从仿生学角度上,这些特殊结构具有很高的参考价值。
人们对动物羽翼的仿生学研究,可以为人类制造更高效的飞行器提供新的设计和优化思路。
羽翼是鸟类或昆虫等动物用来飞行的器官,是众多生物体演化过程中最具有代表性的植入基于仿生学理念的工程设计的一部分器官。
由于鸟类和昆虫是在漫长的进化过程中不断完善自身的形态和功能,羽翼设计方面秉承其对优秀飞行结构所拥有的合理排列、构造和飞行方式进行改进。
从而实现了气动结构、智能飞行控制等领域创新的发展。
对于动物个体来说,羽翼不仅仅是飞行的工具,它还承担了生物体许多其他的功能。
比如,鸟类的翅膀可以在视觉上吸引异性,昆虫的翅膀可以在繁殖、捕食、逃跑等方面进行多功能调节。
因此,我们对羽翼的设计和优化不仅仅是从飞行性能和结构方面来考虑。
合理的仿生设计应该注重机制和行为功能的考虑,也就是要在研究生物体的结构构造和运动方式的基础上,重点关注其在生态演化、采食、繁殖以及其他方面的优势与适应性。
羽翼件数和形态之间的关系不同生物个体羽翼的数量和羽翼形态相同,这是羽翼起飞和飞行的基础。
例如,昆虫的翅膀通常是由两个成对的前翅和后翅组成的,鸟类的翅膀的形状和数量根据其生态特征和环境而有所不同。
对于仿生学技术,研究者需要深入了解不同生物的个体特征,并将其融入到工程设计中,来更加稳健地实现仿生学研究的优化。
羽翼面积与气动稳定性羽翼面积大小对飞行的稳定性和姿势控制非常重要。
较大的羽翼面积可以增加飞行器在空气中的浮力,但也会增加阻力、重量和飞行器的难度。
反之,较小的羽翼面积可以减轻重量,提高速度和机动性,但容易导致机动不能,不良接地、着陆、起飞等性能不佳。
大学本科机械专业仿生类蜻蜓飞行器研究毕业论文

毕业论文论文题目:仿生类蜻蜓飞行器研究专业:机械制造及自动化姓名:指导教师:年月日目录一、绪论 (4)1. 微型飞行器的研究概况 (4)1.1. 微型飞行器的由来 (4)1.2.微型飞行器的基本特征和应用前景 (5)1.3. 微型飞行器技术研究现状 (6)2. 微型飞行器中的关键技术 (8)2.1、机体结构与机载设备的微型化 (8)2.2、新型高升阻比升力机制 (8)2.3、微型高效动力推进装置 (9)2.4、微功率下的飞行控制和数据通信系统 (9)二、仿生蜻蜓飞行器的设计 (10)1 蜻蜒拍动机构模型简化及运动函数 (10)2.扑翼结构的选择 (12)3.仿生蜻蜓飞行器的建模 (12)三、仿生蜻蜓的设计计算 (14)1.结构的选用与电机的选用 (14)1.1、节能特性: (14)1.2、控制特性: (14)1.3、拖动特性: (15)2.气动计算 (15)3.腿部机构与运动仿真 (19)3.1.机构与运动仿真 (19)3.2.步态设计 (20)3.3.行走重心计算 (21)4.仿真运动及有限元分析 (22)4.1.仿生蜻蜓飞行意义概述 (22)4.2.有限元分析的原理 (24)4.3. 仿生蜻蜓扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 (25)4.4.单元特性的定义 (27)4.5. 有限元网格划分 (28)4.6. 翅膀结构线性静力学分析 (29)4.7.仿生蜻蜓飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 (32)4.8.材料的选择 (34)四、结论 (36)五、参考文献 (38)仿生蜻蜓飞行器研究一、绪论自1903年莱特兄弟成功地进行了人类历史上的首次动力载人飞行以来,航空器的大型化和高速化一直是航空领域的一个发展趋势。
从DC-3到Boeing 747,到Concorde (协和号),用尽可能短的时间来运送尽可能多的货物,始终是航空工程师们努力追求的目标之一。
但是,进入二十世纪九十年代,随着微电子和MEMS等技术的飞速发展,飞行器的设计又开始出现一种向小型化,微型化发展的新趋势。
仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考金晓怡 1,2颜景平 1(1东南大学机械工程学院,南京 210096 2常州工学院机电工程学院,常州 213002 摘要:在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上,提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。
有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。
关键词:仿生扑翼飞行机器人低雷诺数问题非定常微分方程问题翅变形问题中图分类号:TB17, TP242 文献标识码:AThe thinking about some problems on the research of the bionics flapping aerocraft Jin Xiaoyi1, 2 Yan Jingping 1(1. College of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, china;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou institute of technology, Changzhou 213002, china Abstract :Based on the investigation of the bionics flapping aerocraft successfully, some problems on its research are pointed out. For the problem of lower Reynolds number, it puts forward that the analysis of the flight force for the insect wing which is based on the momentum theorem is reasonable. For the problem of the unsteady differential equation, it puts forward that the unsteady differential equation i sn’t the key to solve all the problems. For the problem of the wing distortion, it puts forward that the model of the flexible wing should be adopted on the research. It is expects that investigators working on the bionics flapping aerocraf will pay attentions to the problems and viewpoints in this paper.Key words:the bionics flapping aerocraft, the problem of lower Reynolds number, the problem of the unsteady differential equation, the problem of the wing distortion0 前言微型飞行机器人的雷诺数与自然界的昆虫相当,其最适合的飞行方式是仿昆飞行。
飞机翼的仿生设计及其气动性能研究

飞机翼的仿生设计及其气动性能研究飞机的出现给我们的生活和工作带来了极大的便利和效率,而从众多造福于人类的发明中,仿生设计也渐渐成为了设计领域中的一大热门。
本文将为您介绍飞机翼的仿生设计及其气动性能研究。
一、仿生设计概述仿生设计指的是从自然界中获取灵感,将其运用到设计中的一种方法。
这种方法能够有效地提高设计的效率和性能。
设计者借助仿生学的原理,发现许多生命体的结构,如海豚、飞鸟等,都具有很好的效能。
通过对其结构的学习,可以有效地提高设计品质,并达到更好的性能指标。
二、仿生飞机翼的研究意义飞机翼的改进是飞机设计中的一个重要环节,对飞机的性能有较大影响。
仿生设计可以使得翼面形状更加优化,减轻飞机重量,降低飞机成本,并优化飞机的气动性能。
因此,仿生设计就有了在飞机研制领域中的重要地位。
三、仿生飞机翼结构特点1.生物翼面——仿生飞机翼的设计依据生物翼面的结构设计,模拟动物的翼面形状,如海鸥等鸟类,对翼面的弯搭,厚度分布进行仿照,并以此来设计出与其类似的特殊形状。
此类翼面的研究表明,采用生物翼面形状能有效地提升飞机的气动性能和操纵性。
2. 骨架结构——仿生飞机翼的设计基于生物体的骨架结构,它的主要特点在于能把受力点更有效地传递到机身,从而能提高飞机机身的强度,同时减轻飞机翼重量,优化飞机的气动性能。
四、仿生飞机翼的气动性能研究1.翼型性能——通过对翼型的研究,可以探究其对飞机气动性能的影响,从而对翼型进行合理化设计。
2.操作性能——在设计仿生飞机翼中,不仅要考虑气动性能,还需要对操作性能进行研究,如刚性、自适应等。
3.飞行测试——仿生飞机翼的气动性能研究离不开飞行测试。
此类测试能够探究飞机的飞行参数,如速度、油门等,从而为飞机的后期制定提供可靠数据支持,实现更好的飞行性能。
五、仿生设计在航空工业中的应用国内外飞机制造商都开始将仿生设计应用于飞机的设计中。
例如,波音公司的“梦想飞机”B787采用的翼型即是基于仿生学原理设计的。
仿生扑翼机器人的机械系统设计研究

仿生扑翼机器人的机械系统设计研究近年来,仿生机器人技术迅猛发展,其潜在的应用领域不断扩大。
其中,仿生扑翼机器人作为一种模拟昆虫翅膀运动的机器人,具有较高的机动性和适应性,在无人侦查、救援和农业等领域有着广阔的前景。
本文将着重研究仿生扑翼机器人的机械系统设计。
首先,机械系统设计是仿生扑翼机器人实现扑翼运动的关键。
为了模拟昆虫翅膀的运动特点,机械系统应具备轻量化、高刚度和高可靠性的特点。
一种常见的设计方法是采用柔性材料制作翅膀,如碳纤维复合材料,以实现翅膀的轻量化和高刚度。
同时,采用特殊的结构设计,如曲线状的翅膀弯曲轴,可以使机械系统具备较好的可靠性和机动性。
其次,机械系统设计还需考虑扑翼机构与驱动系统的协同工作。
在仿生扑翼机器人中,扑翼机构通常采用类似昆虫的并联结构,通过多个关节和连杆实现翅膀的运动。
为了实现高效的扑翼运动,机械系统设计需要考虑关节的精确控制和连杆的合理长度。
同时,驱动系统需要提供足够的力和速度,以实现扑翼机构的正常工作。
电机、液压或气动系统都可以作为驱动系统的选择,不同的驱动方式会对机械系统的设计提出不同的要求。
最后,机械系统设计还需考虑机器人的稳定性和控制性能。
由于仿生扑翼机器人在空气中运动,存在空气动力学效应的影响,机械系统设计需要考虑机器人的稳定性。
通过调整翅膀的形状和尺寸,以及控制翅膀的运动轨迹,可以提高机器人的稳定性。
此外,机械系统设计还需要与控制系统紧密结合,通过传感器和反馈控制实现对机器人的精确控制。
综上所述,仿生扑翼机器人的机械系统设计是实现扑翼运动的关键。
通过采用轻量化、高刚度和高可靠性的材料,设计合理的扑翼机构和驱动系统,以及考虑机器人的稳定性和控制性能,可以实现高效、稳定的扑翼运动。
随着技术的不断发展,仿生扑翼机器人的机械系统设计将进一步提升,为各个领域的应用带来更多可能性。
浅谈仿生学在飞行器设计中的意义与价值论文

浅谈仿生学在飞行器设计中的意义与价值论文浅谈仿生学在飞行器设计中的意义与价值论文摘要:仿生学是一门既古老又年轻的学科, 是一门人们通过研究生物体的结构与功能工作的原理, 并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技, 创造出适用于生产, 学习和生活的先进技术的学科, “师从自然”是其主要原则。
日常生活中的很多发明都源自于自然界的仿生原理, 而飞行器就是其中最主要的一种。
文章主要对飞行器设计中的仿生学应用的设计原理与意义进行了说明, 以期为仿生学在飞行器设计中的应用提供理论支持。
关键词:飞行器; 仿生学; 应用;1 概述仿生学一词是由美国斯蒂尔在1960年提出的, 大约从1961年才开始使用。
某些生物的某些功能比目前任何人工机械还要优越, 在工程上实现并有效地应用生物功能也成为仿生学最主要的原理和目标。
仿生学是一门交叉学科, 涉及到生物学、动力学、物理学、材料学等, 它是连接生物和技术的纽带。
仿生学被广泛应用于工业设计领域, 随着新型材料的出现和技术的革新, 仿生学也被运用到了飞行器的设计中, 许多国家投入大量人力、物力去研究仿生飞行器。
2 仿生学在飞行器设计中的应用16世纪开始, 仿生学在飞行器设计上得到应用, 普遍认为1505年左右, 达·芬奇首次模仿蝙蝠的形态设计出了飞行器的扑翼。
而这种模仿方式让许多人对仿生学产生了一定的误区, 认为仿生学的应用就是对形态的模仿。
但是飞行器的设计并不仅仅是对形态的模仿, 还包括对结构、功能和肌理等方面的仿生。
改革开放以来, 我国航天事业实现了突飞猛进的发展, 在飞行器自主设计方面也取得了长足的进步。
在这个过程中, 仿生技术广泛应用于当前的飞行器设计中。
设计人员结合仿生技术, 运用新技术和新方法, 有效地提高飞行器设计质量。
2.1 形态仿生形态仿生, 是指飞行器在外型的设计上, 模仿自然界生物的外部形态, 这也是人类最早的仿生方式。
每一种生物的外部形态在自然界中经过漫长岁月的演变, 其对生态环境的适应性是极强的, 这也为人类通过仿生学解决相似问题提供了可能。
基于仿生学的机翼结构刚度和强度设计研究

相似是结构仿生的基础, 结构仿生的实质是以 工程结构和生物体在结构 究相似现象的本 】
质、 系统相似 的一般规 律及其 应用 等 。
12 系统 论 .
是对承力构件及组合方式进行研究。本研究将借 鉴生物体的形状 、 微观结构、 位置分布和传力方式 等, 将生物结构的合理性运用到机翼结构刚度和强 度设计 中。
Ke r s:t c u a in c ;s u t r e i ;r i i ;i tn i y wo d s u t r l o is t cu e d sg r b r n i d t ne st g y y
物竞 天择 , 者 生存 是 自然 界 进 化 发展 的规 适
在对生物体结构 , 力学性能等深入研究基础上 , 提 出生物模型, 设计技术模型 , 以最大限度地再现生 物原型的优异功能。结构仿生学的主要理论基础
teb sso n lz gt efreta s sin o esr cuea d c mp r gtes lr f n ytm h a i fa ay i oc n mis ft t tr n o a n i a t o gsse n h r o h u i h mi i y wi
a d b oo y s se ,i o  ̄rr e sr cu e o e wig.Usng FEM o t r o c lu a e t e d so - n i lg y tm tc n ll t tu t r ft n sh h i s fwa e t ac l t it r h to i n,s e s a d S n,a d c mpa n t h a i o lmo e ,i e e t e b s e i h me fo r t s n Oo n o i r g wi t e t d t na d l ts lcs t e td sg s e r m h r i h n h e ut . t e r s ls
仿生扑翼飞行器设计与制作论文

仿生扑翼飞行器设计与制作摘要:随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步,人类能更好的模仿生物的运动,向大自然学习,服务人类。
像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想,近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展,目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器,但其仿生程度任然较低。
通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作,并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构,最后做出了实物,进行了飞行试验。
关键词:仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验Designing and producting of the flapping wingflight vehicle in bionicsABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it.KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test目录1前言 (2)1.1本次毕业设计课题的目的、意义 (2)1.2仿生扑翼飞行器简介 (2)2.1仿生扑翼飞行器优缺点 (4)2.2仿生扑翼飞行器的结构组成 (4)3仿生扑翼飞行器的原理和设计 (5)3.1飞行器的飞行原理 (5)3.2对鸟类飞行的分析 (5)3.3机构原理性设计 (6)4仿生扑翼飞行器的参数选择 (8)4.1动力系统的参数选择和计算 (8)4.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表 (8)4.1.2齿轮的选用 (8)4.1.3电机的选用 (8)4.2飞行器机身尺寸的确定 (9)4.2机翼五杆机构的设计和计算 (9)4.2.1机构简图 (9)4.2.2实体设计 (9)4.4蒙皮工艺 (11)5提升机构和推动机构的设计 (13)6三维建模 (14)7结论 (17)参考文献 (19)致谢 (20)外文翻译 (21)附件 ................................................. 错误!未定义书签。
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仿生机翼设计相关问题探究
在进行机翼结构有限元分析时,需要对实际的复杂机翼结构进行合理的模型简化,以下是搜集整理的一篇探究仿生机翼设计相关问题的论文范文,欢迎阅读参考。
引言
对于飞机设计师而言,结构减重是一个永恒的追求目标,因为越轻的结构重量意味着更大的航程和更低的油耗,当然前提是必须保证飞机的适航性。
机翼承受自重和气动力,由蒙皮、翼梁、墙和翼肋通过接头传递给机身,翼梁主要承受弯矩、墙、翼肋主要承受扭矩。
为了提高飞机的升阻比,就需要研究机翼的轻量化结构布局型式。
仿生学为这一课题提供了新的思路。
1仿生机翼的设计方法
众所周知,物竞天择,适者生存是大自然的基本法则。
经过数百万年的进化,无论鱼骨的形状,鸟羽毛的自然走向,还是树叶的叶脉分布,均是适应外界环境的结果。
从图1可见,鱼骨的分布显示了鱼在水中游动时的鱼骨架的
传力路径;图1也可见,树叶的叶脉走向显示了树叶在风雨吹淋中的传力路径。
这些自然界中的“生物骨架”,设计之巧妙,为工程师们提供了源源不断的设计灵感。
岑海堂等参考竹干的细观特征,模仿设计了仿竹翼身结合框,结构效能得到明显改善。
侯宇等通过对鸟类飞行参数的统计分析,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,设计并制作了仿生扑翼飞行器。
本文将利用鱼骨,叶脉和鸟羽毛所具有相似的形状与分布这一特点,开展基于仿生理论的机翼结构布局设计。
2仿生机翼的设计要求
从图1中,可见叶脉最主要结构特征是倾斜、交错、分叉,并且尺寸沿轴线逐渐减小。
叶脉沿中肋交错分布,适应不同部位应力分布特点。
文献[4]中指出中肋两侧的一阶叶脉,一般相对中肋倾斜30°~50°。
本文设定翼肋倾斜45°,让翼肋不再仅仅维形和承受扭矩,而且还要承受一定弯矩。
针对大展弦比机翼受载情况,本文提出以下设计要求:机翼展弦比A>6,本文定义A=8,其中弦长C=1000mm,半展长b=8000mm;翼载荷W/S=6000Pa;翼型自选。
本文采用DF101翼型;材料自选。
本文采用铝合金,其弹性模量70Gpa,泊松比0.3,密度2700kg/m3。
【图1.略】
强度约束满足相应的强度指标,位移约束满足翼尖挠度变形
﹤0.1倍的机翼半展长,翼尖扭转角﹤2°。
因为本文机翼半展长
为8000mm,所以翼尖挠度变形<800mm。
3仿生机翼的有限元建模
在MSC.PATRAN中建立有限元模型,首先建立翼梁几何模型。
本文采用三梁式机翼,前梁设在x=70mm,中梁在x=370mm处,后
梁在x=650mm处,且翼肋倾斜45°,让翼肋同时承受扭矩和弯矩。
【图2.略】
4定义材料属性和加载
在进行机翼结构有限元分析时,需要对实际的复杂机翼结构
进行合理的模型简化。
梁和翼肋是复杂的三维薄壁结构,一般把
梁和翼肋看成是由缘条和腹板组成,将缘条离散为杆元或梁元,
腹板离散为二维平面应力板元。
蒙皮离散为二维平面应力板元。
蒙皮、梁和翼肋的腹板采用壳元模拟。
壳元包括QUAD4和TRIA3,其中TRIA3单元对结构形状适应性强,但QUAD4单元计算精度高。
本文采用QUAD4等参数元,提高计算精度。
长桁、梁和翼肋的缘条采用杆元或梁元来模拟。
杆元BAR又
称为常截面弯曲梁单元,梁元BEAM又称为变截面弯曲梁单元。
从
名字可以看出,杆元BAR的截面形状比较固定,是圆形平面,其
截面形状参数为截面面积;梁元BEAM的截面形状较多,其截面形
状参数较复杂,但能更好的反映实际的长桁、梁和翼肋的缘条的
截面形状。
本文选择QUAD4壳元模拟蒙皮、梁和肋的腹板,采用杆元BAR 模型梁和肋的缘条,本文没有布置长桁,故没有模拟。
分别将shangmengpi、xiamengpi、yiliang、yile组中的所有平面定义为
2D-shell单元,厚度为5mm,材料为铝合金,将翼肋缘条和梁缘
条分别定义为1D-BAR单元,面积150mm2,如表1所示。
【表1】
翼盒作为外翼结构中最主要的承力部件,对整个机翼有着重
要的影响。
翼盒前端连接固定前缘和前缘缝翼,后端连接副翼襟
翼和扰流板,下端连接发动机吊挂和起落架飞机运营过程中所有
工作情况下的载荷都是会传递到翼盒上。
因此本文将机翼根部固支,在机翼下表面加面载荷为0.006Mpa。
【图3.略】
5分析得到强度分析结果
由图4可见翼尖最大位移781mm<800mm,满足机翼挠度约束。
由图5可见,机翼最大应力在翼根处,且机翼最大应力420MPa小
于材料的应力强度极限425Mpa,满足强度要求。
由图6可见,机
翼的扭转角为(17.3mm+16.2mm)/1000mm=0.0335rad=1.83°<2°,
满足机翼扭转角度要求.【图4-6.略】
6结束语
本文将自然界中的生物骨架特征引入到机翼结构布局设计中,将翼肋斜置45°,让翼肋不仅仅承受扭矩,也与翼梁一起承受弯矩。
植物叶片结构与大展弦比机翼在受力特性、约束条件、承力
品质几方面具有相似性。
这种翼肋的适当倾斜对飞机刚度,强度
有利。
本文针对大展弦比机翼设计要求,模仿鱼骨,树叶,羽毛等
生物结构,对机翼结构布局进行了仿生设计,并通过在
MSC.PATRAN中建立有限元模型,验证了该机翼挠度,强度,扭转角都满足了设计要求。
参考文献:
[1]邓扬晨,陈华.基于仿生的大展弦比直机翼结构布局形式
研究[J].航空计算技术,2007,2.
[2]岑海堂,陈五一,喻懋林,等.翼身结合框结构仿生设计[J].北京航空航天大学学报,2005,1.
[3]张明伟,方宗德,周凯.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压,2007,6.。