高频扑动微扑翼飞行器多目标优化设计

微扑翼飞行器高频扑动时机翼与机身最大载荷急剧增加,严重影响飞行性能和飞行寿命。分析微扑翼扑动过程中机翼运动情况及受力情况,建立扑动过程中机翼升力、阻力和惯性力数学模型,提出以改善载荷在时间域上分布情况为目标的多目标优化模型,并且在Matlab环境下采用NSGA-Ⅱ算法进行求解,得到悬停状态下的Pareto最优解集。结果表明:提出的优化模型使升力峰值与惯性力峰值显著降低,载荷分布情况得到明显改善。     

微型扑翼仿生“0”字和“8”字型扑动方式气动特性研究

微型扑翼飞行器的气动特性由扑翼的运动规律所决定,为了研究复杂翼梢轨迹对扑翼气动特性的影响,通过对上下扑动、弦向扭转和前后掠动三个自由度的运动设计不同的参数,运用数值模拟方法研究微型扑翼采用仿生"0"字形和"8"字形运动时的气动特性.结果表明:相比于传统的扑动运动,增加了扫掠运动的"0"字形和"8"字形扑动可有效增加升力,特别是"8"字形扑动的增升效果更加显著,但同时也会造成阻力略增,可以通过调整扭转角度来增加推力.本文的研究结果可为复杂运动规律下微型扑翼飞行器设计提供参考.     

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。     

一种仿生扑翼飞行器的设计及动力学分析

为了提高仿生扑翼飞行器设计水平,弄清仿生扑翼飞行器的动力学特性、改善其飞行性能,设计了一种折展翼仿鸟扑动飞行样机,并对其动力学特性进行了分析。通过仿生方式设计了基于曲柄连杆的折展扑动机构,建立了扑翼机构的运动学模型,得到了相关运动学参数,并采用拉格朗日方法,推导出扑翼扑动时的动力学模型。基于条带方法对该扑翼的气动力、气动力矩载荷进行估算,分析了折展扑翼非对称扑动时翼翅气动力矩变化规律,结果表明:与一般直扑翼相比,折展翼在上扑阶段受到更小的阻力,因而扑翼扑动过程中能够获得更大的升力。基于ADAMS软件包,对扑动机构关键铰接位置的力学特性进行分析,为优化扑动机构、提高其结构强度提供重要参考。      

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。     

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。     

扑翼非定常气动特性的实验研究

扑翼的动态特性使其具有与固定翼完全不同的飞行模式,为了研究扑翼在扑动周期内的非定常气动特性,建立基于虚拟仪器的扑翼风洞实验测控系统,能够实现对气动力、扑动角度、功率等物理量的实时测量;以斯特劳哈尔数作为扑翼非定常程度的度量标准,并根据斯特劳哈尔数的定义完成扑翼在不同扑动幅度、扑动频率和来流速度条件下的风洞实验;分析扑翼在不同条件下的升力、推力及推进效率,进而得出斯特劳哈尔数对扑翼气动特性的影响规律。结果表明:扑翼的气动力随斯特劳哈尔数的增大而显著增大;当斯特劳哈尔数处于特定范围内时,扑翼具有较高的推进效率。     

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。     

微型扑翼飞行器升力特性研究

为了对微型扑翼飞行器升力机理进行探索性研究,本文利用西北工业大学微型飞行器专用风洞进行了扑动翼频率、风速、迎角、扑动翼弯度对其升力特性影响的研究.并且利用示波器对扑动翼扑动相位角和产生升力大小之间的关系进行了研究.试验结果表明升力特性的研究为微型扑翼飞行器总体设计和气动布局设计提供了一定的工程指导.     

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法。通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力。采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价。结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行。     

考虑弹性转轴的扑翼三维气动数值计算

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了同时具有扑动和俯仰运动的三维扑翼气动特性.为了模拟扑翼的弹性特性,在扑翼俯仰轴处设计了扭簧.研究了扑翼平面形状、俯仰弹性轴与质心的相对位置、俯仰刚度变化等参数的影响.结果表明:俯仰角相对扑动角有一个大的相位超前量,且刚度系数越大该超前量越大;考虑了俯仰弹性特征后,计...     

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。      

微型扑翼飞行器扑翼/尾翼气动干扰的数值研究

以二维刚性约束条件下的微型扑翼飞行器模型为研究对象,在动网格技术基础上,应用非定常数值分析手段对比分析了单翼/纵列翼布局的气动性能,深入研究了纵列翼缩减频率、扑翼—尾翼无量纲水平间距、来流攻角对其气动性能的影响.结果表明:①纵列翼尾翼对扑翼产生正效应干扰,相对于单翼布局,扑翼—尾翼无量纲水平间距为0.5倍翼型弦长时的纵列翼布局的推力系数和推进效率分别增加28.7%和5.7%;②缩减频率是影响推力的关键参数,随着缩减频率的增加,脱落涡的强度增加,推力系数增大.对于单翼、纵列翼两种布局模式,当缩减频率在1.0附近时推进效率达到最优;③对于纵列翼布局,在扑翼—尾翼无量纲水平间距为1.1倍翼型弦长时推进效率达到峰值;④在0°~20°来流攻角变化范围内,随着来流攻角的增加,升力系数增加,推力系数减小,当来流攻角大于9°时,两种布局的推力均为负值.      

扑动翼型的低雷诺数气动特性分析

通过求解引入拟压缩项的不可压Navier-Stokes方程,数值模拟了绕扑动翼型的低雷诺数非定常流动。针对厚度在4%-12%之间的NACA对称翼型,分析了翼型厚度等参数对扑动翼型气动特性的影响。在低雷诺数条件下,对于纯俯仰运动,随着翼型厚度的减小,平均阻力系数也变小。而对于纯沉浮运动,发现翼型厚度对气动特性的影响和俯仰运动有很大的差别,平均阻力系数随着翼型厚度的减小而变大。通过对沉浮运动一个周期流线图的分析,认为这是翼型前缘涡的影响造成的。由于前缘涡的影响,翼型厚度增加,平均压差阻力系数变小,甚至会出现负值。雷诺数的影响研究表明,随着雷诺数的增加,扑动翼型的阻力系数减小的趋势越缓慢。     

悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究

采用数值方法对果蝇翼悬停飞行拍动翼问题进行了模拟,介绍了前人生物观察和动态比例模型得来的简化拍动翼运动规律。果蝇翼模型平面形状采用Dickinson动态比例试验采用的形状,计算的无量纲参数根据Weis-Fogh,和Vogel果蝇捆绑飞行的数据得到。分别数值模拟了三种运动模态:超前模式(advanced mode),对称模式(symmetrical mode)和滞后模式(delayed mode)。数值模拟的结果同Dickinson的试验结果和孙茂的数值模拟结果进行了比较,吻合很好,表明本文的计算结果是合理的。根据数值模拟结果,结合气动力系数和流场结构进行分析,研究了果蝇悬停飞行获得高升力的流动机理。     

一种仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制的仿真估算研究

基于准稳态气动力模型,推导了仿蜜蜂类昆虫扑翼气动力和力矩估算公式,建立了扑翼运动函数.将仿蜜蜂类昆虫扑翼视为空间运动刚体,在其动力学方程基础上,采用分层控制策略研究悬停控制问题.外层为位置控制,X和Y位置应用PD控制算法,Z位置应用切换控制方法;内层姿态控制采用切换控制方法,并选择了一套机翼运动参数用于切换控制.最后进行了仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制仿真试验,试验结果表明所设计的控制策略是有效的,一旦昆虫扑翼受到干扰偏离平衡位置后,通过自动调节能够回到平衡位置附近.      

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

A review of bird-like flapping wing with high aspect ratio

Bird-like flapping-wing vehicles with a high aspect ratio have the potential to fulfill missions given to micro air vehicles, such as high-altitude reconnaissance, surveillance, rescue, and bird group guidance, due to their good loading and long endurance capacities. Biologists and aeronautical researchers have explored the mystery of avian flight and made efforts to reproduce flapping flight in bioinspired aircraft for decades. However, the cognitive depth from theory to practice is still very limited. The mechanism of generating sufficient lift and thrust during avian flight is still not fully understood. Moving wings with unique biological structures such as feathers make modeling, simulation, experimentation, and analysis much more difficult. This paper reviews the research progress on bird-like flapping wings from flight mechanisms to modeling. Commonly used numerical computing methods are briefly compared. The aeroelastic problems are also highlighted. The results of the investigation show that a leading-edge vortex can be found during avian flight. Its induction and maintenance may have a close relationship with wing configuration, kinematics and deformation. The present models of flapping wings are mainly two-dimensional airfoils or three-dimensional single root-jointed geometric plates, which still exhibit large differences from real bird wings. Aeroelasticity is encouraged to consider the nonignorable effect on aerodynamic performance due to large-scale nonlinear deformation. Introducing appropriate flexibility can improve the peak values and efficiencies of lift and thrust, but the detailed conclusions always have strong background dependence.