微型扑翼飞行器气动机理风洞试验研究

为了对微型扑翼飞行器的气动机理进行研究,利用西北工业大学微型飞行器专用风洞进行了一系列吹风试验。试验中研究了迎角、扑动频率、风速对微型扑翼飞行器气动特性的影响。通过试验得到了关于微型扑翼飞行器气动特性的基本规律,为进一步研究微型扑翼飞行器的气动机理打下了基础,同时也可以为微型扑翼飞行器总体设计提供参考。     

仿生蝙蝠扑翼飞行器设计及气动特性分析

研究仿生蝙蝠扑翼飞行器扑翼过程中的气动特性,分析蝙蝠扑翼飞行周期的扑动流程为展开—下扑—收缩—抬升,将飞行器翅翼主要分为驱动机构及折叠机构.运用UG软件进行三维建模后建立数学模型,并利用ADAMS软件仿真验证,分析得到扑翼飞行器运动参数.采用ADAMS-XFlow联合仿真,考察不同翼型、来流速度和扑动频率对气动特性的影响.仿真结果表明,本文设计的扑翼飞行器半椭圆翼飞行参数优于矩形翼;3 m/s的飞行速度为最佳飞行速度;扑动频率应控制在2 Hz.仿真结果能够为扑翼飞行器结构设计选型、飞行环境及飞行参数设定等提供理论参考.     

基于XFlow的仿生扑翼飞行器机翼气动特性分析

通过空间曲柄摇杆结构产生的急回特性来实现仿生飞行器扑翼运动.为了探究仿生扑翼飞行器的气动特性的影响因素,采用玻尔兹曼模型的粒子跟踪方法模拟扑动过程中气动特性,基于计算流体力学仿真软件XFlow对不同翼型、翼展、翼平面形状进行仿真分析并探究对升力和推力的影响.结果表明:翼型弯度和翼展的增大能够增加扑翼飞行器的升力系数,推力系数随着弯度的增大而变小;通过综合分析得到翼展长度在2.5倍弦长时,气动特性最佳;不同翼面形状的机翼具有不同的气动性能,相对于机翼后缘几何形状,前缘对气动特性的影响较大.研究结果为扑翼飞行器机翼的系统设计提供了有益的指导.     

柔性膜微型扑翼飞行器气动力的数值研究

采用数值法计算了膜扑翼飞行器的气动力,并与实验结果进行了对比.将惯性力和刚性扑翼产生的气动力作为原始载荷,采用有限元法计算了膜扑翼的变形,分析了此变形引起的气动力的变化.与实验结果的对照表明,该计算结果有较好的可靠性.与刚性扑翼相比,膜扑翼对升力的影响不大,但是大大地增大了推力的正峰值,使得推力有较大的增加,从而改善了扑翼飞行器的气动性能.     

柔性扑翼的模型建立及其功率研究

在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的柔性扑翼模型,使之更接近鸟翼真实扑动情况.模拟计算了时柔性扑翼气动功率及扑动效率随着扑动角、来流速度等参数的变化,从气动角度解释了为何鸟在不同的飞行阶段扑翼规律各不相同,为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据.     

仿昆扑翼微飞行器中高效传动铰链的研究

针对仿昆扑翼微飞行器对高效传动铰链的要求,从几何约束、应力条件、临界屈曲条件等方面,结合电磁驱动仿昆扑翼微飞行器对异质复合型柔性铰链进行了研究,给出了铰链的设计方法;研究了预应力对整个传动机构并联刚度以及铰链连接方式对整个传动机构串联刚度的影响;得到了传动机构中各铰链的宽度、厚度、长度、旋转刚度等设计参数.结果表明,整个传动机构的串联刚度是其并联刚度的135倍,满足了高效传递能量的要求;翅膀扑打角峰峰值达到了99.6°,较好符合了仿昆扑翼微飞行器的设计要求.     

扑旋柔性翼飞行器驱动机构的设计及动力学建模

为解决传统旋翼飞行器在结构上需要尾梁、尾桨等来平衡扭矩装置所带来的飞行器结构复杂,升力与自身重量之比低,飞行性能不突出等问题,提出了一种扑旋翼结构设计方法,以及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器.采用电磁铁吸合驱动装置,通过电流方向控制电路实现电流规律正反向变化,从而产生交变电磁力驱动扑翼扑动.同时分析这种扑翼结构的特性,建立扑旋翼机构的结构模型,并应用拉格朗日方程分析建立扑旋翼驱动装置的动力学模型.仿真实验结果表明,采用某一频率的交变电磁力时机翼会产生共振现象,在同等作用力下机翼的扑动角会有一定的增大.     

微型扑翼飞行器虚拟设计与飞行仿真系统开发

介绍微型扑翼飞行器虚拟设计与仿真系统的总体结构和各功能模块的实现.根据拟合的仿生公式进行微扑翼飞行器的仿生学初步设计,进而建立了飞行器的三维结构模型,并根据飞行器的结构与扑翼运动规律进行了运动仿真.由飞行器的几种典型任务确定飞行模式,在建立飞行器动力学模型的基础上进行飞行姿态控制.采用随机分形技术生成具有真实感的地形,由此讨论了飞行器虚拟飞行过程中的静态与动态模拟方法.     

扑翼飞行器的运动学仿真及气动力分析

在研制的仿生扑翼飞行器的基础上,建立了该飞行器的数学模型,并用MATLAB对简化了的机构进行了运动仿真,模拟出翅翼一个周期内的运动轨迹,同时也计算出了翅翼角速度的变化情况;编写了用条带理论计算升力的MATLAB程序,得出了一个周期内翅翼产生的气动力,同时计算出翅翼在一周期所产生的有效升力,通过选择合适的机构参数使产生的有效升力最大,为结构参数的设计提供指导;该方法可用于仿生扑翼飞行器的设计和分析,验证所设计的飞行器能否实现腾空飞行。     

微飞行器前后同频双扑动翼的推进效果

为了解微飞行器前后双扑动翼的推进效果,该文通过在动态网格上求解Navier-Stokes方程,对前翼扑动后翼静止、前后翼同相扑动和前后翼反相扑动3种运动方式的流场进行了数值模拟和气动干扰的分析.前翼扑动后翼静止,其推力系数和推进效率比单翼扑动分别增加65%和44%;前后翼同相扑动时产生的推力甚至超过单翼扑动的2倍;但前后翼反相扑动时,推力大大减小,不足同相扑动的一半.结果表明,处于前翼扑动尾流中的后翼对气动特性影响很大.     

基于空间曲柄摆杆机构的扑翼飞行器驱动机构设计与分析

为了提高扑翼飞行器的飞行性能，借鉴生物的飞行运动特征，设计了一种基于空间摆杆机构的新型多自由度扑翼机构.通过运动学分析建立了扑翼飞行器驱动机构的运动学模型，利用Matlab对驱动机构运动学方程进行求解分析.结果表明：所设计的驱动机构通过单自由度驱动，就能够完成扑动、扭转耦合运动，其中上扑动幅度为64.098°，下扑动幅度为-64.098°，扭转角度为69.422°~99.327°，并且能够输出与生物飞行时翅翼相同的“8”字型轨迹，具有良好的气动性能.     

国际上微型飞行器研究的进展及其关键技术

微型飞行器（MAV）是MEMS传感器和驱动器技术发展的必然产物,同时也是当今先进国家竞相研究的科技前沿课题。该文综述了世界各国对微型飞行器在固定翼、旋翼、扑翼以及微型动力系统方面的研究进展,指出了MAV研究的几项关键技术,并结合我国实际,提出了我国研究MAV的建议。     

新概念扑旋翼微型飞行器驱动机构设计研究

扑旋翼微型飞行器是一个多学科交叉的研究领域,驱动机构的设计是该微型飞行器的关键设计环节之一。在扑旋翼微型飞行器的飞行原理介绍基础上,通过对几种可能的驱动方式的对比分析,为扑旋翼微型飞行器选择了一种可行的驱动方案。通过Adams软件对扑旋翼微型飞行器的驱动机构进行了运动仿真分析,验证了该种传动机构的合理可行性。     

飞鸟的低雷诺数空气动力学

低雷诺数空气动力学对许多天然或人造的飞行物是非常重要的，生物学家对飞鸟、蝙蝠、昆虫多年的研究，以及由于对微型飞行器（MAVs）兴趣激发的空间工程协会的主动研究，近年来发展迅速。本书的重点是固定的和振动翅膀的空气动力学，内容考虑到了飞鸟和微型飞行器，包括空气动力学和飞行特性与在简单几何学、动力学分析、结构弹性、层流紊流转变、机翼形状、不稳定扑翼动力学基础上的飞行物尺寸有关的相似定律总结，突出了扑翼动力学与关键尺寸参数如雷诺数、斯德鲁哈尔数、折合频率的关系，文章也阐述了各种各样的不稳定提升强化机理。     

两段式三自由度仿鸟扑翼飞行器机构设计与仿真分析

针对现有仿鸟扑翼飞行器结构复杂、负载效率低等问题,本文通过将平行四连杆机构和齿轮齿条运动机构相结合,设计了一种新型仿鸟扑翼飞行器扑动机构,可以仅用一个驱动实现扑翼的扑动、折叠和扭转三个自由度的运动。首先,对所提出的新型扑翼机构进行理论分析,得出了扑动角、折叠角和扭转角与驱动角和杆长之间的关系式,并对机构杆长参数进行优化;然后利用ADAMS软件对机构进行仿真分析,得出扑动角、折叠角和扭转角随时间的变化曲线,验证了理论分析的正确性;随后,利用数值分析方法计算了扑翼在一个周期内的升力和推力,对比单自由度扑翼,三自由度扑翼机构气动性能有较大提升;最后,根据所设计的扑翼机构研制出了样机并进行扑动实验,结果显示,单电机驱动下,该机构运行平顺、稳定可靠,扑翼可有效地实现扑动、折叠和扭转。     

基于虚拟仪器的扑翼实验测控系统

针对扑翼实验测试的特殊要求,在原有微型飞行器风洞的基础上进行改造,设计构建了基于虚拟仪器的扑翼实验测量系统.该系统使用了高灵敏度的六分量天平,根据扑翼的特性引入了角度传感器,使力的变化与扑动角度相对应;充分利用了Labview图形化开发平台的优势,将控制与测量过程智能化.利用此系统可以对扑翼的多项性能进行测试.     

扑翼飞行二维情形数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法对微扑翼飞行的非定常空气动力学问题进行研究,已被大多数学者所认可.在对昆虫飞行运动仿真模拟的基础上,建立了扑翼运动二维简化模型及运动方程,并利用FLUENT软件及其嵌入用户自定义函数(UDF)和动网格技术,分析了二维翼型在不同控制飞行参数(包括扑翼频率、最大转动幅值、平动和转动相位差等)下的平均升力和阻力系数.数值模拟所得结果为微扑翼飞行器的设计提供了参考依据.     

柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

组合合页式扑翼在悬停状态下的三维仿真分析

通过观察鸟类扑翼飞行的运动特征,研究了一种新型组合合页式扑翼推进技术.介绍了组合合页式扑翼推进技术的基本原理,建立了其运动学和动力学模型;在此基础上,通过联合求解动力学方程和三维纳维斯托克斯方程,对组合合页式扑翼在恒定速度下的低频大行程往复运动进行仿真,以分析组合合页式扑翼在2自由度运动时的运动特征和空气动力学特性.结果表明:所提出的扑翼推进方式在悬停状态下能够产生持续的正升力;在相同的往复速度下,增大运动行程可以降低1个周期内过渡状态所占的比例,但平均升力系数随之减小;当运动频率约为2Hz时,其平均升力系数可以达到3.0以上.     

基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的设计优化与仿真

本文基于四连杆机构提出了一种齿轮连杆运动机构设计方案,用于模仿蜻蜓翅翼的运动,并研究了扑翼机构各参数变化对机构运动轨迹的影响,归纳总结出一些规律,从而为选择出合适的机构参数提供了依据。采用基于优化的机构设计方法对仿生微扑翼机构进行优化设计,确定出各杆件参数和运动参数。然后利用CATIA来对扑翼机构进行运动仿真分析,模拟机构的运动过程,仿真结果与设计要求基本吻合,验证了机构的可行性。