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      

仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究

建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型,并以配平重力和平衡阻力为条件,数值计算了它的低雷诺数非定常流场.研究揭示了翼面初始扭转角度、动态俯仰幅度等重要设计参数与飞行性能的关系,表明扑翼平面的初始扭转程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要.研究分析了仿鸟扑翼的流场涡结构、升力推力产生原理,下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制.对扑翼气动功率的比较分析也发现,人造扑翼机需要的气动功率明显高出同等大小的鸟类,在效率方面尚不及扑翼飞行生物.     

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.     

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.      

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。      

扑翼的变刚度设计及其对升力和推力的影响

为提高扑翼飞行器的升力和推力以提高其飞行性能,运用生物扑翼的仿生原理,研究扑翼飞行器的扑翼升力和扑翼推力随扑翼刚度变化的机理。借鉴"变刚度关节机构和平面转动冗余并联机构通过调节张力改变刚度"这一机构学原理,运用变刚度关节机构相互串联实现扑翼在扑动方向上变刚度,同时运用平面转动冗余并联机构实现扑翼在扭转方向上变刚度。建立扑翼的扑动关节刚度和扭转机构刚度随预张力变化的模型,并通过实验和仿真验证扑翼扑动关节刚度和扭转机构刚度随预张力的变化。研究扑翼的升力和推力与扑翼刚度之间的关系,验证了通过调节扑翼刚度匹配其扑动频率可以提高扑翼的升力和推力。     

S1223翼型俯仰-沉浮运动的非定常气动特性分析

扑翼飞行器是未来航空领域的重要发展方向之一,而鸟类、昆虫等自然界的飞行生物所具有的出色飞行能力,为人造扑翼飞行器的设计工作提供了很好的参照。本文以鸟类的扑翼飞行为研究背景,针对简化的二维S1223翼型的刚性俯仰-沉浮运动,对其非定常气动力特性进行了数值研究。研究采用了动态混合网格技术以及非定常数值计算方法。为了提高动态混合网格的变形能力,采用了基于径向基函数的插值方法求解空间点的位移,翼型整个俯仰-沉浮运动周期内计算网格均维持了较好的质量,没有发生网格重构。非定常算法方面,通过约束单元边界面的法向速度从而满足了运动网格下几何守恒律的要求。空间离散采用了二阶的有限体积格式,时间离散则采用了双时间步和BLU-SGS相结合的隐式时间推进策略。计算得到了不同下拍时间、不同拍动角等条件下的升力、推力以及能耗,对其升力、推力产生机制进行了分析,并通过对气动力以及流场进行对比,分析了各拍动参数的影响。计算结果表明,翼型自身的"静态因素"是其产生升力的主要原因,非定常流动对增加升力起到了促进作用,而下拍时间、拍动角等运动参数对翼型的气动性能影响较大。当下拍时间占到整个拍动周期的约65%-70%时,单位能耗下的时均升力最大,该结论和观测数据较为一致。此外,通过对比分析得到了一组具有较好气动特性的拍动角参数,为后续针对三维问题的研究提供了参考。     

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。     

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.     

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.      

大变形扑翼动态模型设计及气动网格生成技术

<正>微型扑翼飞行器模仿鸟类的扑翼飞行运动,以其轻便性、隐蔽性、灵敏性等特点,广泛应用于军事和民用各领域,是世界先进国家竞先投入研究开发的热点。相比于微型扑翼飞行器,微型固定翼飞行器在低雷诺数状态下,升力明显不足,遭遇突风的稳定性较差;微型旋翼飞行器飞行速度很慢,不够灵活机动。同一尺寸数量级的鸟类却同时具有高的升力系数和灵活性,这些优点促使人们考虑转向研究扑翼飞行来设计高效的MAV。     

基于蜻蜓翅几何及刚度相似性的仿生扑翼结构

目前对于扑翼和扑旋翼飞行器的研究主要致力于实现仿生拍动模式的机构设计和气动特性分析，对昆虫翅的研究主要在微观尺度的生物学构成以及材料和力学特性。采用主成分分析法可建立昆虫翅展向抗弯刚度与几何形态参数之间的关系。以仿蜻蜓翅的扑翼设计为例，根据蜻蜓翅脉的分布可设计具有几何相似性的扑翼模型，进而基于蜻蜓翅的展向抗弯刚度实验结果建立仿蜻蜓翅扑翼设计的刚度相似性准则，以刚度相似性为约束对扑翼进行结构优化，分别制作了仅具有蜻蜓翅刚度相似性的矩形扑翼（JX-翼）、仅具有蜻蜓翅几何相似性的扑翼（JH-翼）、基于蜻蜓翅几何相似性和刚度相似性的仿生扑翼（GD-翼），并采用扑旋翼模型分别对这3种扑翼在5～15 Hz的拍动频率范围内进行了升力测试实验。结果表明，基于几何相似性及刚度相似性设计的GD-翼在12.5 Hz拍动频率时产生的升力比仅基于刚度相似性的矩形JX-翼提高25%，在低于6.5 Hz时与仅基于几何相似性设计的JH-翼相近，但在高于8 Hz时比JH-翼的升力大2倍以上。基于蜻蜓翅的几何相似性和刚度相似性的扑翼结构设计方法为提高仿生扑翼和扑旋翼的气动升力和效率提供了新的路径。     

扑翼升力特性的非定常涡格法计算研究

针对西北工业大学航空学院微型飞行器研究室研制的PY-1型扑翼机,建立了扑翼的运动模型,并采用非定常涡格法模拟了该扑翼的升力特性,分析了迎角、飞行速度对升力特性的影响。计算结果与实际飞行试验吻合,验证了非定常涡格法模拟扑翼非定常气动特性的正确性和有效性。研究结果可为扑翼机的气动设计提供参考。     

海鸥翼折转运动的数值模拟及分析

扑翼的非定常流动及气动特性分析对微型飞行器设计具有重要意义。本文采用动态混合网格技术以及非定常数值计算方法,对海鸥翼的拍动过程进行了数值研究。采用基于径向基函数的插值技术实现网格的变形,为了提高插值效率,发展了基于最大物面误差的参考点选择算法。基于文献观测数据建立了海鸥翼的三维模型,并设计了相应的拍动以及变形规律,对拍动角、折转角的影响进行了分析。分析结果表明,折转角可以减小上拍过程的不利影响,对提高整个扑翼周期的时均升力、减少时均阻力和能耗是有益的。进一步通过调整折转的相位来增加翼的折转时间,并减少其展开的时间,对提高扑翼过程的平均气动力特性是有益的。     

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。     

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。     

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。     

一种新型旋转式扑翼飞行器的原理结构分析

本文介绍了一种仿效鸟类飞行方式的新型旋转式扑翼飞行器的原理结构分析。该飞行器兼备固定翼飞机和直升机的功能,具有垂直升降和空中悬停的能力;同时具有扑翼前飞后飞,左飞右飞的能力。其扑翼采用旋转式扑翼,与传统平面式扑翼相比较,效率较高,升力较平稳。研制扑翼飞行器关键要解决二个问题:第一是如何让扑翼飞行器垂直离地升空;第二是如何操纵。对此二个问题,提出一套新的解决方案。     

仿蜻蜓扑动机构改进及气动力/力矩测量

为进一步提高扑翼微型飞行器的机动性能,对前期提出的可移动铰链曲柄滑块扑动机构进行了改进和小型化。该机构运动学表明:移动铰链后两侧翅膀扑动幅值差值从之前的21.3°增大到51.2°,同时平均扑动幅值降到0°。研制了可快速模块化组装的碳纤维板仿蜻蜓扑翼样机。样机测量和试飞实验表明,通过调节扑动频率可以明显改变样机的升力和推力,有效实现飞行器的快速爬升机动飞行。在较大扑动频率移动铰链可以产生足够的偏航力矩和滚转力矩用于转弯等机动飞行。      

扑翼飞行器平面形状对气动力的影响研究

为了了解扑翼飞行器在扑动过程中的气动力,采用非定常涡格法模拟扑动过程中的气动力计算,得到了刚性扑翼在扑动周期内气动力的变化及尾涡的形态。在此基础上,研究了扑翼的周期平均气动力随扑动频率、幅度、迎角及来流速度的变化关系,并进一步研究了不同的机翼平面形状对气动力的影响。计算结果表明,迎角和扑动频率的增大能够增加扑翼的升力,不同翼面形状的扑翼在升力特性及推力特性方面具有不同的优势。