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。     

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.     

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.     

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.     

仿鸟扑翼机器人气动力建模与分析

采用改进的叶素理论对仿鸟扑翼机器人的空气动力学问题进行了研究,建立了低雷诺数、非定常条件下,仿中小尺度飞鸟扑翼机器人的扑动模型和扭转模型,并考虑非定常尾涡对展向气流的下洗效应,对飞行迎角进行了修正.在此基础上,建立了扑翼机器人的升力模型和推力模型.实验数据与仿真结果基本吻合,较好地揭示了气动力在下扑和上扑阶段的变化趋势...     

昆翅在飞行中的动态形变

通过理论模化途径研究昆翅在飞行中的动态形变机制.设计翅气动力试验平台,验证翅准静态形变影响气动力的"柔性楔形效应"理论解释.探讨昆翅的变刚度特性表明,弦向刚度分布规律符合二项式函数时具有优越性和现实性,进而指出昆姻结构的变刚度特性是产生高升力的基本条件.建立了柔性翅的简化力学模型,通过坐标变换法求解在气动力和惯性力共同...     

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.     

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.     

扑翼模型的气动力研究

为了研究扑翼的气动特性,以蜜蜂翅为参考对象建立了扑翼的运动学模型. 利用计算流体力学方法,研究了最大拍动角、频率、攻角对扑翼气动力特性的影响,通过分析扑翼拍动在1个周期的升力和阻力变化,阐释了扑翼保持高升力的原因. 计算结果表明,翻转运动是造成升力变化的主要因素;平均升力会随着最大拍动角和频率的增大而增大;并在攻角50°时达到最大;而各工况对平均阻力的影响可忽略不计.     

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.     

柔性翼微型飞行器的稳定特性

为提高微型飞行器(M AV)的抗风扰动飞行稳定性,需要遵循仿生学原理,效仿自然界中的鸟类和昆虫,探讨抗风飞行的新方法。提出了柔性仿生机翼的概念,阐述了其设计思想与工作原理,并导出了大气扰动下柔性机翼气动力的解析表达。为验证柔性仿生机翼的实际性能,设计和制作了柔性仿生机翼M AV原理样机,并在风中进行了飞行试验。试验结果表明:采用柔性机翼能够显著改善有风条件下M AV的飞行品质,突风过载可降低40%左右,大大减弱了大气扰动对飞行的影响,有效提高了M AV的飞行稳定性。     

四足机器人刚柔耦合仿生脊柱研究进展

 四足机器人的仿生脊柱对提高机器人非结构化环境的机动性和稳定性具有重要作用。系统分析了国内外四足机器人仿生脊柱的研究现状,将仿生脊柱分为局部柔顺脊柱和整体柔顺脊柱两类,对比分析不同四足机器人仿生脊柱的结构特点,提出未来发展趋势。四足机器人仿生脊柱从传统的整体刚性结构向刚柔耦合结构方向发展,具有类生物变刚度、可柔顺弯曲特性的新型仿生脊柱突破仿生驱动、神经元精细控制等关键技术,向高效能量转换的类生物系统方向发展。     

Effect of flapping trajectories on the dragonfly aerodynamics

Insects cannot provide enough lift force to keep them afloat according to the conventional aerodynamics. But in fact they can not only perform the free flight, but also perform the maneuver activities such as fast take-off, suspending, back flight, etc. D…     

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。     

农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景

工程仿生研究在农业机械领域有着较为广泛的应用,基于昆虫脱附减阻规律与食虫植物捕食现象的研究逐步形成应用于农业生产领域的工程仿生技术。本文从仿生农业机械脱附减阻及致灾农业昆虫滑移捕集滑板仿生制备的研究现状入手,主要分析了典型动植物非光滑表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理,阐述了工程仿生学在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况,并分析了工程仿生领域潜在的研究方向与发展前景。     

基于仿生学的未来食品工业展望

生命体经过漫长的进化,已经形成了一整套极其完善的利用食材制造其所需营养素的技术,许多生命活动与现有食品加工的单元操作有着异曲同工的效果。利用仿生学原理,向生命体学习,进行食品加工的理论与技术创新,正逐渐得到国内外食品加工技术研究领域的广泛关注。分析了人们受人体感官、食物消化、养分吸收、生物合成、生物材料、生物机构、生物成型的启示,进行食品加工技术创新的研究案例。从3个方面概括了未来食品工业仿生化发展的主要任务:1)重新认识生命活动。突破长期以来基于健康和生产(生长)的需要进行生命科学研究的局限性,建议从生命体制造其正常生长所需营养素的角度,重新研究生命活动,重新认识生命现象。2)深化已启动的仿生研究工作。根据对生命活动重新研究的结果,进一步对已经启动的仿生技术进行深入研究,挖掘新的创意。3)开拓新的仿生技术方法。通过比对,寻找动物、植物和微生物中与食品加工技术有对应关系的生命活动,开拓从未触及的仿生研究领域,推动食品领域的原始创新。着重强调了“食品工程仿生学”学科建设的重要意义。     

昆虫翼粘弹性特性及其本构模型

通过蜻蜓翅脉的应力松弛实验,验证了昆虫翼的粘弹性特性.并且通过数值拟合,发现可以用标准线性固体模型对其进行描述.通过理论推导,证明昆虫翼粘弹性特性对于昆虫实际高频飞行中提升翼刚度、控制变形幅度、稳定飞行起到很关键的作用.     

基于滑移网格技术的串列翼推进性能分析

以有限体积法结合Standard k ε湍流模型求解黏性不可压缩Navier Stokes方程,采用滑移网格技术实现了串列翼前后翼间的相对运动,分析了前翼拍动后翼静止的串列翼系统的推进性能.探讨了衰减频率、拍动振幅以及前后翼间距对串列翼推进性能的影响.计算结果表明,串列翼的推力主要由前翼产生,且在一定的衰减频率和拍动振幅范围内,串列翼均较传统的单翼拍动具有更高的推进效率,同时,前后翼间距对串列翼推进性能影响不大.