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.     

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。     

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。     

柔性与刚性机翼微型飞行器气动特性差异研究

设计并研制了一种布局形式的刚性机翼和柔性机翼的微型飞行器,在风洞中研究了刚性机翼和柔性机翼微型飞行器的气动特性,给出了刚性机翼和柔性机翼的气动特性差别。研究结果表明柔性机翼的气动特性要比刚性机翼好,柔性机翼具有延迟失速的能力,有利于安全、稳定飞行。     

扑翼式飞行器的发展与展望

本文简要介绍了扑翼式飞行器的国内外发展史,以及扑翼式飞行器相比于其他飞行器的优势,概述了当前扑翼式飞行器在国内外研究现状。以此为基础,讨论了现阶段扑翼式飞行器研究的关键技术,并对我国未来扑翼式飞行器的发展方向进行了展望。     

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.     

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。     

微型扑翼飞行器的位置控制器设计

针对微型扑翼飞行器(FWMAV)的位置跟踪控制问题,设计了一种新的FWMAV位置控制器.与传统控制器相比,新型控制器采用梯度算法,有效避免了位置求解过程中时变矩阵的求逆操作,避免了位置跟踪控制系统陷入奇异状态,降低了计算复杂度.仿真结果表明,在FWMAV位置跟踪控制过程中,基于梯度算法的位置控制器比比例微分控制器具有更好的性能.     

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.     

仿昆扑翼微飞行器中压电驱动器的性能参数分析

针对仿昆扑翼微飞行器中压电驱动器的使用要求,采用复合材料的层合板理论和将能量法与实验法相结合的方法,推导了压电驱动器的静态位移、阻力、等效质量、刚度和阻尼系数的计算公式,得到压电驱动器的二阶集总参数模型.驱动器位移测试结果表明,利用推导公式计算所得位移的理论值比实测值小.同时,利用传递函数绘制的伯德图所得压电驱动器共振频率为2.540kHz,与理论公式计算结果的误差仅为0.5%,从而验证了所建立计算模型的正确性.     

基于LES方法仿生翼型气动特性数值模拟

采用大涡模拟方法,研究在翼型不同位置添加脊状结构对翼型流场及气动性能的影响,讨论了添加脊状结构后翼型流场的流动特性和涡结构特性。研究发现：1)在α=6°攻角条件下,无论riblet-Q翼型模型或riblet-H翼型模型均可改善边界层分离情况,但riblet- H翼型模型表现出更好的控制效果。2）后段布置脊状结构能够有效推迟翼型边界层分离点,抑制边界层大涡形成,控制分离涡的发展和脱落。3）riblet-H翼型模型使翼型的升力系数增大,同时也使其阻力系数降低,升阻比较原翼型有了较大提高。     

高超声速飞行器机翼关键部件损伤特性研究

为有效预防机翼关键部件损伤对飞行安全的影响, 分析了高超声速飞行器机翼关键部件的损伤演化及飞 行器飞行动态对损伤的影响。 通过建立高超声速飞行器机翼材料的损伤动力学模型以及对机翼翼梁根部载荷 应力分析, 依次分析了飞行器飞行高度、 速度、 迎角以及副翼偏转角等变量对机翼关键部件损伤特性的影响, 以确定影响损伤的关键变量。 分析仿真结果表明, 相对于其他变量, 飞行器迎角对机翼关键部件损伤的影响最 大。 从保证飞行器安全和延长寿命的角度分析, 应尽量限制飞行器的迎角。 从而为减损控制系统设计奠定基 础, 并为提高飞行器结构的可靠性和延长飞行器寿命提供参考。     

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.      

折叠式主弹翼气动特性研究

针对制导航弹的气动设计要求,设计了一种前后折叠式弹翼.并使用数值计算和工程计算方法研究前后折叠式弹翼、钻石背弹翼以及后折前张式弹翼的气动特性.计算结果表明:前后折叠式弹翼与钻石背弹翼升力系数在攻角较小时接近,在攻角较大时,前后折叠式翼的升力系数大于钻石背弹翼;前后折叠式弹翼的升阻比最大;后折前张式弹翼的外形滚转阻尼力矩系数最小;钻石背弹翼的外形滚转阻尼力矩系数最大.     

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.     

钻石背弹翼外形参数对气动特性的影响

定义了描述钻石背弹翼平面形状的2个几何参数,采用模块化方法设计了一组风洞实验模型,进行了风洞测力实验,研究了前、后翼条高度差及其间距对钻石背弹翼气动特性的影响.实验结果表明,前翼条高、后翼条低配置的钻石背弹翼的升力、升阻比比前翼条低后翼条高配置的钻石背弹翼的升力、升阻比大;前后翼条间距对钻石背弹翼气动特性的影响较小.     

一种连翼式双机身无人机气动特性

为改善无人机承载质量性能,提出并设计了一种新型连翼式双机身气动布局,建立了基础布局和改进布局模型,基于FL U EN T详细研究了两种布局的气动特性.仿真结果表明,连翼式双机身布局有较好的气动性能,巡航状态升阻比可达16以上;经过翼身融合、机头修形及前后翼连接处理等改进后,升阻性能有较大提高,迎角2°时,改进布局升力系...     

二维平板翼拍翼运动的涡流场显示

介绍了在装有液体的有机玻璃容器中进行的二维平板翼作悬停拍翼运动的流场显示实验．研究了低雷诺数运动下，仰俯旋转过程中不同的转动角速度，匀速平动阶段不同的水平攻角分别对流场结构的影响以及超前、对称、滞后三种相位模式下的涡流场结构．实验结果表明：挥拍过程中翼后缘的涡层不断地脱泻，前缘涡不断发展并附着在翼面是翼型产生高升力的重要机制；匀速平动阶段前缘涡的形成附着与水平攻角有关，攻角过小不易产生前缘涡，攻角过大则易使前缘涡与翼面分离；翼型的上仰过程使前缘涡得到加强，这对升力的产生有一定的贡献；三种相位下的涡流场形态各有不同，上挥（下拍）初期前缘涡的运动主要存在两种形态．     

后翼上反串置翼无人机气动特性研究

针对未来机体占用空间小并且具有高机动性飞行器的设计需求,提出后翼具有上反角的串置翼布局.采用N-S控制方程的有限体积法离散格式,选取剪切应力运输(SST)k-ω两方程湍流模型对以后翼上反角为变量的4组模型进行数值模拟分析.通过理论分析与验证机实验相结合的方法,研究了前后机翼间气动干扰特性以及后翼上反对飞行性能的影响.研究结果表明后翼上反角可避免平飞时前翼尾流对后翼的冲击,保证小攻角时的巡航稳定性.同时分析了由前后翼间持续相互干扰作用造成的不良影响,并提出了解决方案.研究论证了串置翼后翼上反能够替代垂尾起到横航向安定作用,并且通过取消垂直安定面降低了飞行器结构重量和浸润面积产生的阻力.