微型扑翼飞行器的气动建模分析与试验

用计算流体力学的数值模拟方法研究了微扑翼飞行器的扑翼飞行的非定常空气动力学问题。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上 ,对实际可飞的微扑翼飞行器的扑翼运动建立了三维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉 ( ALE)有限元方法求解出 N-S方程的数值解 ,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行。在此基础上 ,分别计算并分析了拍动幅值、俯仰幅度以及扑翼频率等各种扑翼参数对升力的影响。最后 ,探索性的扑翼风洞试验与飞行试验结果在一定程度上验证了文中计算方法的可行性      

多段柔性变体扑翼飞行器设计

多段柔性变体扑翼模仿海鸥翅膀的复杂运动.观察海鸥翅膀的运动周期,设计了包含慢频率扑动、展向折弯、弦向扭转和结构柔性变形的扑翼模型,并应用准定常方法计算气动力,为该扑翼飞行器设计提供依据.在CATIA和3DMAX中设计多段柔性变体扑翼机的三维模型和运动模拟,制作样机进行飞行试验,研究其平飞、爬升、偏航等飞行姿态,结果表明升力和推力与数值计算结果吻合.相较于原有扑翼飞行器,多段柔性变体扑翼飞行器可以慢频率扑动飞行,调整扑翼形状.      

主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函数,并设计出机构运动控制系统;在低速风洞中对此飞行器进行了一系列测力试验,研究了主动变形扑翼的升力、推力特性,以及风速、扑动频率、扑动幅度、伸展相位等参数对升力和推力的影响,并与常规扑翼进行了对比分析。试验结果表明,较之常规扑翼,主动变形扑翼可以显著增加升力和增强对不同飞行状态的适应能力。     

扑翼微型飞行器悬停状态的扑动模式设计

依据美国伯克利大学对微型扑翼飞行器空气动力学的研究成果,对翼展处于10~25 mm(翼尖到翼尖)的扑翼微型飞行器的扑动模式进行了研究。设计了一种当飞行器处于悬停状态时,翼的扑动模式,使得飞行器可以通过改变扑动参数的大小来调节扑动力。仿真结果验证了设计方法的合理性。该研究为扑翼微型飞行器的飞行控制研究提供了一种手段和思路。     

仿鸟型扑翼飞行器气动/结构/飞行力学耦合研究进展

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。     

微型扑翼飞行器的升力风洞试验

针对微型扑翼飞行器在专门的低雷诺数试验风洞中进行了扑翼的升力风洞试验, 测试出了微型扑翼飞行器在正常飞行以及向上爬升状态时的升力特性曲线, 并且探讨了扑翼频率、飞行速度以及扑翼的迎角对扑翼飞行升力的影响, 在此基础上, 还分析了扑翼升力的组成部分以及相互关系.实验结果为微型扑翼飞行器总体、气动的进一步设计提供了依据.      

单曲柄双摇杆扑翼驱动机构的优化设计

微扑翼飞行器在试飞过程中时常发生向左或者向右倾斜栽落的现象,这是由于左右扑翼动作的不完全对称性引起的.由此建立了驱动机构在一个运动周期内左右扑翼角之差和角速度之差的数学模型,并在机械学、仿生学等约束条件下利用模式搜索法对目标函数进行了优化设计.优化前后的参数对比分析和试飞试验均表明:该优化显著增强了微扑翼飞行器的运动对称性.      

扑翼非定常运动对平尾影响及俯仰力矩特性研究

为了研究微型扑翼飞行器尾流对其平尾设计、飞行器稳定性以及飞行控制的影响,选取微型扑翼飞行器ASN-211为原模型,采用将其简化为二维的前后串列翼模型进行具体计算和分析。首先以Fluent动网格技术为背景,在用户自定义函数控制扑翼的非定常运动条件下进行不可压、非定常二维流动的计算,并研究在扑翼非定常运动条件下的模型的俯仰力矩特性。然后通过计算不同来流攻角、扑翼扑动频率、扑翼与平尾间距以及不同力矩中心下扑翼、平尾及总的力矩系数,讨论各个参数对力矩特性的影响。最后得出不同的扑翼扑动频率以及扑翼与平尾间距将会对平尾与扑翼的俯仰力矩间的相位差产生影响,所得结论为扑翼飞机的重心布置设计提供参考。     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动。为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明：可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度。     

一种微型仿昆扑翼飞行器扑翼操控机制

提出了一种扑翼操控机制,用于解决微型仿昆扑翼飞行器悬停飞行的飞行动力问题。通过对扑翼运动参数对气动力及空气动力矩的作用进行理论和仿真分析,设计了一种采用可变幅值的周期函数调节扑翼运动的扑打角和旋转角变化的方法,实现对气动力和气动力矩进行独立控制的操控机制。仿真结果验证了此操控机制可以较好地解决仅一对翼的仿昆扑翼飞行器飞行动力问题。     

扑翼飞行器驱动装置的设计

扑翼飞行器是一种新型飞行器,其工作原理及设计技术与传统的固定翼和旋转翼飞行器完全不同。微型扑翼的驱动机构的设计、制作是飞行器设计中的关键环节。为此介绍了一种静电驱动的微扑翼机构,由于这种结构存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合,因此系统的动态特性是非常复杂的。从驱动机构的结构,工作原理,受力模型及分析几个方面对这种驱动机构作了相关的介绍。所得研究结论可以为微型扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供一定的理论依据。     

微扑翼飞行器驱动机构的设计与动态特性研究

微扑翼飞行器是一种新概念的飞行器,在应用技术上它超出了传统的飞机设计和气动力的研究范畴,同时开创了微机电系统技术(MEMS)在航空领域的应用。微扑翼驱动机构的设计、制作及其动态特性研究是飞行器设计中的关键环节。本文的研究对象是一个静电驱动的胸腔式微扑翼机构,由于这种结构存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合,因此系统的动态特性是非常复杂的。本文从理论上分析了系统奇点的存在与稳定性;在相空间中分析了无阻尼及有阻尼系统的非线性动态特性;研究了初始条件和阻尼对临界拉入电压的影响;最后分析了在不同激励电压信号下系统的响应。所得研究结论对微扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。      

微型扑翼飞行器控制系统的研究现状

微型扑翼飞行器作为一种新概念飞行器有着广泛的应用前景和市场需求。简要介绍了微型扑翼飞行器的概念、特点和应用，以及优势控制系统设计的技术难点；重点从控制理论与算法、控制元器件的设计、控制系统实现等三个方面概述了国内外微型扑翼飞行器控制技术的最新研究成果和发展趋势。在此基础上，总结出微型扑翼飞行器控制系统研究需要解决的关键技术和今后研究的重点。     

基于非定常涡格法的扑翼飞行器气动特性优化

旨在为柔性扑翼飞行器的翼面选型与设计提供一定依据,研究其气动优化.建立了扑翼的非定常涡格法(UVLM)尾涡模型;采用面向对象的编程技术对该模型进行求解并引入GPU流式编程技术实现了UVLM并行计算,使其执行效率提高了3倍;以升力和推力的最大化为目标,并采用模式搜索法对扑翼的扑动与俯仰运动相位差、扑动频率与柔性扭转角以及翼面结构进行了优化.结果显示,要获得尽可能大的气动推力,翼面应设计成倒梯形且其外翼段应具较大面积,要使升力最大化则需将翼面设计成正梯形布局并应使内翼段面积较大;为进一步提高FMAV推力,应在增大扑动频率的同时适当减小翼面的柔性扭转角.研究表明,内嵌UVLM的模式搜索法可望成为FMAV气动优化的一个重要工具.     

Review on bio-inspired flight systems and bionic aerodynamics

Humans' initial desire for flight stems from the imitation of flying creatures in nature. The excellent flight performance of flying animals will inevitably become a source of inspiration for researchers. Bio-inspired flight systems have become one of the most exciting disruptive aviation technologies. This review is focused on the recent progresses in bio-inspired flight systems and bionic aerodynamics. First, the development path of Biomimetic Air Vehicles (BAVs) for bio-inspired flight systems and the latest mimetic progress are summarized. The advances of the flight principles of several natural creatures are then introduced, from the perspective of bionic aerodynamics. Finally, several new challenges of bionic aerodynamics are proposed for the autonomy and intelligent development trend of the bio-inspired smart aircraft. This review will provide an important insight in designing new biomimetic air vehicles.     

飞行器多学科设计优化中的灵敏度分析方法研究

近年来,在飞行器设计领域,多学科设计优化(MDO)方法得到了高度重视。灵敏度分析技术作为MDO的关键技术之一,被认为是处理飞行器MDO研究中四个复杂性问题的有力工具。本文对适用于飞行器MDO的灵敏度分析方法进行了系统研究。首先介绍了多种学科灵敏度分析方法,阐述了各种方法的原理,比较了各种方法的优缺点。在此基础上,进一步探讨了几种常用的系统灵敏度分析方法。最后,总结了各种灵敏度分析方法在飞行器MDO中应用的原则,并对发展适用性更广的广义灵敏度分析方法提出了建议。     

保证飞行器可靠性的一个方法

 研究了在飞机器设计和试验研究阶段保证结构可靠性的问题 ,提出了在地面及飞行试验阶段合理选择试验策略和确定试验规模的具体方法 ,并给出了算例。用本文方法所获得的分析结果可以作为飞行器的不同试验阶段可靠性、安全系数与试验规模的一种综合评定     

An experimental study of elastic properties of dragonfly-like flapping wings for use in biomimetic micro air vehicles (BMAVs)

This article studies the elastic properties of several biomimetic micro air vehicle (BMAV) wings that are based on a dragonfly wing. BMAVs are a new class of unmanned micro-sized air vehicles that mimic the flapping wing motion of flying biological organisms (e.g., insects, birds, and bats). Three structurally identical wings were fabricated using different materials: acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA), and acrylic. Simplified wing frame structures were fabricated from these materials and then a nanocomposite film was adhered to them which mimics the membrane of an actual dragonfly. These wings were then attached to an electromagnetic actu-ator and passively flapped at frequencies of 10–250 Hz. A three-dimensional high frame rate imag-ing system was used to capture the flapping motions of these wings at a resolution of 320 pixels × 240 pixels and 35000 frames per second. The maximum bending angle, maximum wing tip deflection, maximum wing tip twist angle, and wing tip twist speed of each wing were measured and compared to each other and the actual dragonfly wing. The results show that the ABS wing has considerable flexibility in the chordwise direction, whereas the PLA and acrylic wings show better conformity to an actual dragonfly wing in the spanwise direction. Past studies have shown that the aerodynamic performance of a BMAV flapping wing is enhanced if its chordwise flexibility is increased and its spanwise flexibility is reduced. Therefore, the ABS wing (fabricated using a 3D printer) shows the most promising results for future applications.     

Static strength analysis of dragonfly inspired wings for biomimetic micro aerial vehicles

This article examines the suitability of fabricating artificial, dragonfly-like, wing frames from materials that are commonly used in unmanned aircraft(balsa wood, black graphite carbon fiber and red prepreg fiberglass). Wing frames made with Type 321 stainless steel are also examined for comparison. The purpose of these wings is for future use in biomimetic micro aerial vehicles(BMAV). BMAV are a new class of unmanned micro-sized aerial vehicles that mimic flying biological organisms(like flying insects). Insects, such as dragonflies, possess corrugated and complex vein structures that are difficult to mimic. Simplified dragonfly-like wing frames were fabricated from these materials and then a nano-composite film was adhered to them, which mimics the membrane of an actual dragonfly. Finite element analysis simulations were also performed and compared to experimental results. The results showed good agreement(less than 10% difference for all cases).Analysis of these results shows that stainless steel is a poor choice for this wing configuration, primarily because of the aggressive oxidation observed. Steel, as well as balsa wood, also lacks flexibility. In comparison, black graphite carbon fiber and red prepreg fiberglass offer some structural advantages, making them more suitable for consideration in future BMAV applications.