柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

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。     

微型扑翼飞行器扑动机构相关研究进展

微型扑翼飞行器(FMAV)具有独特的外形和飞行优势,具有重要的军事和民用价值。扑动机构是微型扑翼飞行器实现能量转换和机翼仿生运动的核心部件,是扑翼飞行器研究中极其重要的一环。阐述了扑动机构仿生规律实现、设计方法的最新进展,同时就设计中的关键技术进行了评述,主要为:仿生扑动规律的实现;提高系统效率的机构匹配设计方法;扑动机构的发展趋势。     

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。     

蜻蜓非对称扑动时的气动特性

蜻蜓等昆虫作为飞行领域的佼佼者具有优异的机动性能,然而基于仿生学研制的微型扑翼飞行器在机动性能方面却远不如昆虫。为研究昆虫机动飞行时的气动特性,采用有限体积法(FVM)对蜻蜓左右两侧翅膀非对称扑动时的三维气动力及力矩进行了数值计算,并对不同扑动幅值下蜻蜓的整体气动性能以及每一个翅膀的气动性能、压力分布及流场结构进行了系统分析。结果表明:仅需增加某侧两翅的扑动幅值即可实现向另一侧的机动飞行;相比后翅,扑动幅值对前翅的升推力、滚转及偏航力矩影响较大,而对侧向力的影响较小;扑动幅值对翅膀的瞬时阻力、侧向力、偏航及俯仰力矩在整个扑动周期内均产生了明显影响,而对瞬时升力和滚转力矩的影响则集中在下扑阶段;扑动幅值改变了翅膀前缘涡、尾涡的强度及上下表面的压力差,在下扑阶段,翅膀和蜻蜓对称面有个相对倾角,气动合力产生了较大的侧向力,而上扑阶段,翅膀几乎垂直对称面,产生的侧向力较小。以上结果对于仿生扑翼飞行器的控制及气动设计具有一定指导意义。     

仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法

以工程应用为背景,从全局的角度提出了一种仿生微扑翼飞行器的动态分析与设计方法。在对鸟类的飞行参数进行统计分析的基础之上,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,并据此进行了微扑翼飞行器的仿生学初步设计。根据仿生学结果设计了飞行器的传动布局、动力方案以及总体结构,并按照运动学分析、气动力分析以及动力学分析相结合的动态分析方法研究了微扑翼飞行器的动态特性。在动态分析的基础上进行了飞行参数的优化设计,使得微扑翼飞行器达到性能最佳。样机制作及风洞试验结果证明了这种方法的有效性与可行性。所得研究结论对微扑翼飞行器的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。     

仿蜻蜓扑翼飞行器机构设计及气动力研究

针对蜻蜒扑翼飞行机理与鸟类单翼飞行机理的不同,设计了一种双翅翼空间四杆扑翼机构,提出了一种非对称刚度柔性翅翼.该翅翼上拍时刚度较小,下拍时刚度较大,上拍时翅翼变形比下拍时翅翼变形大,空气阻力较小,可以提高每个拍动周期中的等效升力,从而有效减小飞行器飞行时的能耗速度,提高飞行效率.基于非定常空气动力学原理,建立了仿蜻蜒扑翼飞行器的动力学模型,对双翼挥拍过程中不同相位差下的升阻特性进行了分析,可为飞行过程中扑动模式的选择提供参考.     

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。     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹，设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构，通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型，利用遗传算法对机构进行了优化，得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果，建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机，通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°，扭转角度达到29.9°，且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm，仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升，对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

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。     

一种非对称折叠扑翼的风洞试验与数值模拟

为了解鸟类翅膀折叠运动的作用,对一个专利中的折叠扑翼机构进行了数学建模,外翼的折叠运动由非定常过程中的气动力、弹性恢复力矩和惯性力决定.利用风洞试验和数值模拟两种方式对该折叠扑翼模型进行了研究.数值模拟和风洞试验结果表明:相对于非折叠扑翼,折叠翼能够有效提高平均升力;在一定范围内增加内翼扑动频率可以提高折叠翼平均升力系...     

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

三维仿生悬停扑翼的时间非对称扑动气动特性

基于对现有黄蜂飞行观察实验的分析，建立了不同下扑和上挥时间非对称扑动悬停扑翼运动轨迹模型，并采用数值求解三维层流Navier-Stokes(N-S)方程的方法，研究了采用不同下扑和上挥时间比的仿生悬停扑翼气动特性.结果表明采用适当的时间非对称扑动可以增强悬停扑翼的气动性能.进一步通过对不同时间非对称扑动扑翼流场分析得出，采用时间非对称扑动不但可以增强使扑翼产生高升力的旋转环流机制，而且还可以增强扑翼表面涡流和展向流的强度,从而使扑翼具有更好的气动性能.      

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。     

Nonlinear dynamics of a flapping rotary wing: Modeling and optimal wing kinematic analysis

The analysis of the passive rotation feature of a micro Flapping Rotary Wing(FRW)applicable for Micro Air Vehicle(MAV) design is presented in this paper. The dynamics of the wing and its influence on aerodynamic performance of FRW is studied at low Reynolds number(~10~3).The FRW is modeled as a simplified system of three rigid bodies: a rotary base with two flapping wings. The multibody dynamic theory is employed to derive the motion equations for FRW. A quasi-steady aerodynamic model is utilized for the calculation of the aerodynamic forces and moments. The dynamic motion process and the effects of the kinematics of wings on the dynamic rotational equilibrium of FWR and the aerodynamic performances are studied. The results show that the passive rotation motion of the wings is a continuous dynamic process which converges into an equilibrium rotary velocity due to the interaction between aerodynamic thrust, drag force and wing inertia. This causes a unique dynamic time-lag phenomena of lift generation for FRW, unlike the normal flapping wing flight vehicle driven by its own motor to actively rotate its wings. The analysis also shows that in order to acquire a high positive lift generation with high power efficiency and small dynamic time-lag, a relative high mid-up stroke angle within 7–15° and low mid-down stroke angle within -40° to -35° are necessary. The results provide a quantified guidance for design option of FRW together with the optimal kinematics of motion according to flight performance requirement.     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制

仿昆虫微型扑翼飞行器（FW-MAN）可以模仿昆虫悬停、垂直起飞以及侧飞等飞行姿态，从而适应复杂多障碍环境，具有广阔的应用前景。成功设计研制了一款重23.8 g，翼展18 cm，扑动幅值180°，扑动频率可达22 Hz的可垂直起飞的仿昆虫微型扑翼飞行器。采用曲柄摇杆与滑轮的组合机构作为样机扑动机构以解决原有样机扑动方案存在高摩擦及结构复杂等问题，样机翅翼设计为具有扭转角度的柔性翅翼从而使样机具有更高的气动效率。考虑到现有的姿态调节机制存在增加机构复杂度问题，基于翅翼扭转的姿态调节机制，设计了相应的控制调节机构，并搭建了样机气动力测量平台和姿态调节平台。气动升力与姿态力矩测量结果表明，样机翅翼可提供足够升力，姿态调节机制具有可行性。在此基础上，选取PD （Proportional Differential）控制律作为样机控制方式，为解决参数调定耗时及直接试飞样机不易观察控制效果问题，基于姿态调节平台获取了初始控制参数，然后对样机进行了多次试飞实验，并多次调定参数，最终实现了样机稳定垂直起飞。     

Unsteady aerodynamics and flow control for flapping wing flyers

The creation of micro air vehicles (MAVs) of the same general sizes and weight as natural fliers has spawned renewed interest in flapping wing flight. With a wingspan of approximately 15 cm and a flight speed of a few meters per second, MAVs experience the same low Reynolds number (10⁴–10⁵) flight conditions as their biological counterparts. In this flow regime, rigid fixed wings drop dramatically in aerodynamic performance while flexible flapping wings gain efficacy and are the preferred propulsion method for small natural fliers. Researchers have long realized that steady-state aerodynamics does not properly capture the physical phenomena or forces present in flapping flight at this scale. Hence, unsteady flow mechanisms must dominate this regime. Furthermore, due to the low flight speeds, any disturbance such as gusts or wind will dramatically change the aerodynamic conditions around the MAV. In response, a suitable feedback control system and actuation technology must be developed so that the wing can maintain its aerodynamic efficiency in this extremely dynamic situation; one where the unsteady separated flow field and wing structure are tightly coupled and interact nonlinearly. For instance, birds and bats control their flexible wings with muscle tissue to successfully deal with rapid changes in the flow environment. Drawing from their example, perhaps MAVs can use lightweight actuators in conjunction with adaptive feedback control to shape the wing and achieve active flow control. This article first reviews the scaling laws and unsteady flow regime constraining both biological and man-made fliers. Then a summary of vortex dominated unsteady aerodynamics follows. Next, aeroelastic coupling and its effect on lift and thrust are discussed. Afterwards, flow control strategies found in nature and devised by man to deal with separated flows are examined. Recent work is also presented in using microelectromechanical systems (MEMS) actuators and angular speed variation to achieve active flow control for MAVs. Finally, an explanation for aerodynamic gains seen in flexible versus rigid membrane wings, derived from an unsteady three-dimensional computational fluid dynamics model with an integrated distributed control algorithm, is presented.     

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.