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。      

基于MEMS技术的微扑翼飞行器研究

简要介绍了微型扑翼飞行器的概念、特点及其应用 ,概述了微扑翼飞行器的国内外研究现状及未来发展趋势。在此基础上 ,重点讨论了基于微机电系统 (MEMS)技术的微型扑翼飞行器的系统结构和单元划分 ,以及几种典型的微扑翼驱动机构方案     

扑翼飞行器驱动机构回顾与展望

扑翼飞行器的驱动机构是扑翼飞行器的动力装置,决定了扑翼飞行器的整机性能。随着人们对扑翼飞行器性能的要求越来越高,各国研究者们对其驱动机构工作原理的探索也越来越深入,从而使扑翼飞行器驱动机构设计理论与方法研究取得了显著进展。在最近几年里,更是涌现出了许多新型高效的驱动机构。本文对近些年出现的传统纯机械式的驱动机构和基于智能材料的驱动机构的应用现状做了详细的研究与总结,并分析了其特点与发展趋势。介绍了柔性结构在扑翼飞行器领域的应用情况,并分析了其在驱动机构中发挥的作用。     

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。     

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。     

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。     

微扑翼飞行器驱动装置设计与动力学性能研究

将压电陶瓷驱动器和柔性铰链四杆放大机构融为一体,设计了结构紧凑的微扑翼驱动装置,并采用粒子群算法完成了微扑翼驱动装置结构参数优化设计;采用拉格朗日方程来建立微扑翼驱动系统动力学模型,对动力学性能进行了仿真研究.研究结果表明:采用正弦驱动电压,微扑翼驱动装置可以实现稳定扑打运动,另外,采用标准正弦驱动电压,在某一频段微扑翼驱动装置能实现高效扑动,而且通过调整驱动电压幅度能够控制扑动幅度.该研究为微扑翼飞行器运动控制奠定了基础.      

扑动参数对多段扑翼机气动特性的影响与分析

正扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的飞行器,在原理上不同于传统的飞机设计和气动力的研究范畴。早期的扑翼飞行器以模仿昆虫,蝴蝶等动物的单段式扑翼为主,如加州理工大学Aero-Vironment和加州大学联合研制的蝙蝠"MicroBat"、美国佐治亚理工大学研制的仿昆虫微型飞行器"Entomopters"以及Vanderbilt大学的微型扑翼机器昆虫。近几年,由于具有更好的气动实验和更高的仿真度,多段式扑翼得到越来越多的关注。德国FESTO公司研制的仿鸟飞行器Smartbird以及南京航空航天大学设计的"翔鹰"飞行器,逼真地模拟了鸟类的飞     

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。     

昆虫尺度微型仿生飞行器的研究

微型仿生飞行器的研究涉及仿生学原理、准稳态气动力和原理样机的研制等。概述了上海交通大学针对昆虫尺度的微型仿生飞行器的新颖的设计和加工方法。该方法确保了零部件空间位置的合理安排,从而减少了零部件的装配难度。具体来说,压电驱动器的设计考虑了电气隔离和装配问题;传动机构与机身整合成一个部件,避免了相互之间的装配。翅脉的纤维方向进行了合理的布置,使得翅膀拥有高强度和高刚度。最终,研制的压电驱动微型仿生飞行器重84mg,翼展35mm,在100Hz的拍打共振频率下可以产生±60°的拍打角度,能产生足够的升力实现起飞。     

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.     

一种用于主动流动控制的气泡型微致动器

 面向先进主动流动控制，在国内率先研发了一种基于微机电系统(MEMS)的气泡型微致动器阵列技术。分析了气泡型微致动器用于主动流动控制的原理，阐述了致动器结构及其加工工艺。通过对气泡样件的压力载荷 变形行为的测试，表明其具有较好的线性和较大承载能力。结合不同翼型的风洞试验表明，微致动器作动可以影响翼型表面的压强分布，从而可用于增升等控制目的。     

Topology optimization in lightweight design of a 3D-printed flapping-wing micro aerial vehicle

Topology optimization is an effective method to obtain a lightweight structure that meets the requirements of structural strength. Whether the optimization results meet the actual needs mainly depends on the accuracy of the material properties and the boundary conditions, especially for a tiny Flapping-wing Micro Aerial Vehicle (FMAV) transmission system manufactured by 3D printing. In this paper, experimental and numerical computation efforts were undertaken to gain a reliable topology optimization method for the bottom of the transmission system. First, the constitutive behavior of the ultraviolet (UV) curable resin used in fabrication was evaluated. Second, a numerical computation model describing further verified via experiments. Topology optimization modeling considering nonlinear factors, e.g. contact, friction and collision, was presented, and the optimization results were verified by both dynamic simulation and experiments. Finally, detailed discussions on different load cases and constraints were presented to clarify their effect on the optimization. Our methods and results presented in this paper may shed light on the lightweight design of a FMAV.     

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器（VI）的微型扑翼风洞实验系统。该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器、新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器（VI）的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理。利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考。     

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。