扑翼飞行器具有弹性阻尼扑动机构的能耗对比分析与研究

以"Sparrow"微小仿生扑翼飞行器（FWMAV）为基础,提出了3种带弹性元件的扑动机构构型。对原构型和3种弹性构型进行的理论研究及仿真试验发现,安装有弹性元件的仿生扑翼机构不仅可以在很大程度上减小电机输入的峰值转矩,而且能凭借减小峰值转矩的最优构型提高能量利用率。同时,原模型在翅翼下扑阶段所产生的冲击力大而上扑阶段所产生的冲击力小,电机因负载不均在快速运转时易受冲击。引入弹性元件后,可有效减小电机所受到的冲击力,降低机体材料的冲击及疲劳损伤,延长其使用寿命;对峰值力的优化还可以降低噪声,减小飞行时被发现的几率,提高其在战场环境中的生存率。这将为扑翼飞行器由理论向工程应用过渡提供基础。     

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。     

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。      

空间曲柄摇杆扑翼机构设计分析

为了提高扑翼机构两侧运动支链的运动对称性,进而扑翼增强飞行器滚转稳定性,分析了平面曲柄摇杆扑翼机构运动不称的原因,提出并构建了一种空间曲柄摇杆扑翼机构.计算仿真和样机试验结果表明,与平面空间摇杆扑翼机构相比,两翼扑动对称性有所提高;试飞实验表明在扑翼飞行器中采用空间曲柄摇杆扑翼机构能够使提高滚转稳定性.该空间曲柄摇杆扑翼机构结构紧能够满足构建小型扑翼飞行器的需要.      

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.      

微型扑翼飞行器风洞试验初步研究

 为了对微型扑翼飞行器空气动力学基本特性进行定量研究，利用西北工业大学微型飞行器专用风洞对微型扑翼飞行器机翼进行初步风洞吹风试验。试验中进行了扑动频率、风速、迎角、机翼平面形状、翼型弯度对机翼气动特性影响的研究。通过试验得出了微型扑翼飞行器升力、推力产生的基本规律，为微型扑翼飞行器总体设计和气动设计提供了参考。     

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。     

可垂直起降扑翼飞行器设计与试验

正在昆虫扑翼飞行机理研究的基础上,设计了一种可垂直起降扑翼飞行器总体方案。提出了一种利用沿扑动角平分线方向拉力进行偏航操纵的方法,提出了一种限攻角高刚度机翼。本设计已经能够实现携带全部电子设备垂直起飞。1气动机理与总体方案1.1总体布局自然界中的微小型飞行生物均采用扑翼飞行,具有较好的机动性,这也给微小型飞行器的研究提供了方向和借鉴[1]。与微型固定翼和微型旋翼飞行器相比,微型扑翼飞     

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。     

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。     

局域共振型声学超材料及其噪声控制

为实现宽频噪声的控制,提出一种兼有Helmholtz共振和弹簧质量系统共振的声学超材料及其控制方法。将双局域共振系统等效为两个弹簧质量系统的串联,理论计算结果表明双局域共振声学超材料能够产生两个局域共振带隙,有限元仿真验证了所建立数学模型的正确性。在对比分析共振腔腔体体积和薄膜张力对系统传递损失影响的基础上,选择通过气压调整薄膜张力实现系统传递损失的控制。实验结果表明：当驱动气压从0增加至2 kPa时,系统传递损失第一个峰值基本保持不变,第二个峰值向高频偏移150 Hz。所设计的局域共振型声学超材料在带隙范围内对低频噪声具有良好的控制效果,为宽频噪声自适应控制提供了一种方法。     

小型巡飞弹电动推进系统设计及试验验证

为快速获得满足工程需要的小型巡飞弹电动推进系统,采用螺旋桨涡流理论和一阶电动机模型建立了电动推进系统效率计算模型。以巡飞弹巡航阶段电动推进系统效率最高为目标,将爬升阶段巡飞弹所需推力及对应的反扭矩作为约束对桨机参数进行了快速优化设计,得到了电动机与螺旋桨的设计指标。根据该设计指标开展了电动机测功试验,完成了电动机选型;利用Kriging代理模型对螺旋桨进行了详细优化设计,并计算了完整的气动参数。针对设计得到的巡飞弹电动推进系统开展了风洞吹风试验,结果显示螺旋桨理论计算与试验测试误差在85%以内,巡航阶段电动推进系统效率设计结果与测试结果误差在27%以内,表明所提出的电动推进系统设计方法合理有效,能够为此类巡飞弹设计提供一定程度理论指导。      

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...     

基于转子再设计的电动汽车永磁同步电机再制造研究

随着电动汽车的发展,淘汰替换的旧电机越来越多,对旧电机的再制造研究也越发必要。通过对转子外圆优化以减小饱和磁密面积和优化气隙结构来提升电机性能,分析了不同偏心圆对电机齿槽转矩的影响规律,对比了旧电机和再制造电机的性能变化,研究了不同倒角圆对电机磁密谐波和齿槽转矩的影响趋势。结果表明电机齿槽转矩随着偏心圆的增大先增大后减小,不同倒角圆对再制造电机谐波影响较小;在额定情况下,再制造电机偏心圆为36 mm、倒角圆为4 mm时,再制造电机铁心损耗下降6.55 W/kg,再制造电机效率提高0.05%,输出转矩收缩4%,再制造电机在减小损耗提高效率的同时减小了输出转矩。     

柔性扑翼非定常涡格法气动计算的改进与实现

旨在快速、准确地模拟微型扑翼飞行器(Flapping-wing MAV)周边流场,根据柔性扑翼的扑动特点,提出了微型飞行器(MAV)气动力计算的一种改进非定常涡格法(UVLM)模型,该模型中充分考虑机翼的瞬时柔性变形、诱导阻力、尾迹涡环畸变以及黏性耗散等因素对气动力的影响;给出了该模型的一个可视化实现,并通过实例验证了该模型的可行性和有效性。算法仿真表明,采用该模型可使平均升力和平均推力计算精度分别提高20%和70%左右。为了提高运算效率,还研究了剔除尾涡对UVLM性能的影响,计算结果显示,剔除距翼面适当距离处的尾涡后,可在保证算法计算精度基本不下降的前提下使运行时间减少2/3,这表明改进的UVLM可作为MAV的一种快速气动力估算工具,在MAV的优化中存在显见的应用价值。     

适配功率电机齿槽转矩削弱方法研究

为削弱适配功率电机齿槽转矩,提高该电机动力输出性能,提出了匹配相邻磁极极弧系数的方法。首先,运用麦克斯韦应力张量法和傅里叶分解求解适配功率电机齿槽转矩解析模型,并对不等极弧系数进行匹配组合,解析结果表明齿槽转矩削弱了35%左右。然后,采用全局优化算法对不等极弧系数进行全局寻优匹配,齿槽转矩进一步得到优化。最后,依据理论研究结果加工制作样机并进行试验,试验结果显示,齿槽转矩实测数据和优化结果相比,总体误差为5%左右,且整体趋势与优化曲线相符。因此,所提用于削弱适配功率电机齿槽转矩的方法是有效且可行的。     

航空拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力仿真

为解决航空拖曳诱饵系统研制过程中拖曳缆绳强度设计问题,对拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力进行了仿真研究。仿真中建立了缆绳的质量弹簧阻尼模型和诱饵弹的六自由度动力学模型,研究了直线加速和机动转弯2个典型飞行动作中缆绳受力情况,分析了载机加速度、飞行高度、缆绳弹性模量、缆绳直径等因素对缆绳张力的影响。结果表明：缆绳中张力大小不仅与诱饵弹、缆绳的气动阻力、重力有关,还与它们的惯性力有关;由于张力在缆绳中传递存在时滞性,机动过程中缆绳张力存在波动现象,波动的剧烈程度与载机加速度、缆绳弹性模量、缆绳直径有关;机动转弯过程中,缆绳会承受一个较大的峰值应力,该应力随着转弯角速度的增大而增大。     

扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究

通过均匀试验法在设计变量状态空间内寻找分布更均匀、更能反映系统性能的状态点,使用改进的片条理论计算机翼的气动特性,建立了扑翼飞行器机翼面积分布(尖削比)、扑动迎角与扑动频率的响应面模型,得到了尖削比对机翼气动特性的影响规律和机翼升力系数关于尖削比、频率与迎角的估算公式。