侧风对拍动翅气动力的影响

昆虫在自然界中飞行时多会受到侧风的干扰,因此了解侧风作用下昆虫拍动翅上气动力的变化对昆虫飞行机理的研究工作具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法模拟了存在侧风时拍动翅上绕流,并与正常悬停情况进行对比,从侧风的方向和强度2个方面考察了其对拍动翅气动特性的影响。结果表明:侧风对拍动翅气动特性的改变包含2个流动机制的贡献,即相对速度效应和前缘涡轴向速度效应,且从翅尖吹向翅根的侧风与从翅根吹向翅尖的侧风对气动力的影响有着显著的不同;而不同强度的同向侧风下,气动力的改变类似,仅存在数值上的差异。     

蝴蝶悬停飞行流体力学实验模型的仿生设计

由于蝴蝶形态学上的特点(翼面宽大,展弦比小,翼型复杂)以及其特殊的飞行方式(拍动频率低,翅膀几乎垂直于身体拍动;翅膀没有翻转运动,但在翅膀拍动时身体有明显的俯仰运动和振动),蝴蝶成为探索昆虫飞行高升力机理的特殊研究对象.为了深入研究蝴蝶悬停飞行时的流场和高升力机理,设计制作一套模拟蝴蝶悬停飞行的流体力学实验模型显得尤为重要.介绍一种新设计的电控蝴蝶实验模型,该模型与真实的蝴蝶一样,包含左右翅膀和身体,并且可以实现精确定位和模拟蝴蝶不同的运动模式,包括翅膀的拍动、身体的俯仰运动和振动.研究小组应用此实验模型进行流动显示实验和PIV(Particle Image Velocimetry)实验,对蝴蝶的悬停飞行进行研究.      

微型飞行器的仿生力学 ——蝴蝶飞行的气动力特性

研究一种蝴蝶(Morpho peleides)前飞时的气动力特性.在运动重叠网格上数值求解Navier-Stokes方程,对蝴蝶前飞时左、右翅膀的拍动运动以及跟随身体一起的俯仰运动进行计算.结果表明:蝴蝶主要用"阻力原理"作拍动飞行,即平衡身体重量的举力和克服身体阻力的推力均主要由翅膀的阻力提供.蝴蝶翅在下拍中产生很大的瞬态阻力(平行于拍动运动的力),对流动结构分析表明,产生此力的机制如下:每次下拍中产生了一个由前缘涡, 翅端涡及起动涡构成的强"涡环",其包含一个沿拍动方向的射流,产生此射流的反作用力即翅膀的阻力.平衡身体重量的举力主要由翅膀下拍中产生的阻力提供.上拍时(由于身体上仰,上拍实际是向后和向上拍动的),翅也产生阻力,但较下拍时小的多.平衡身体阻力的推力主要由翅膀上拍中产生的阻力提供.      

翅尖轨迹对食蚜蝇悬停时气动特性的影响

食蚜蝇悬停飞行时的抬升角相对较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅“U”形。为了分析该翅尖轨迹是否会对其气动特性产生影响,利用计算流体力学的方法分别计算了4只食蚜蝇在考虑抬升角和忽略抬升角2种情形下的气动力,分析对比了2种情形下的不同时刻绕翅膀的瞬时流线,并计算比较了2种情形下气动功率系数与平均举力系数的比值。研究结果表明:抬升角的存在会使其维持体重所需的举力增加10%左右;举力增大的同时能耗却比忽略抬升角情形下要低3%左右。      

昆虫翅平面形状和展弦比对其气动性能的影响

应用计算流体力学的方法研究昆虫翅膀平面形状和展弦比对其拍动运动时气动力的影响.选取了10种具有代表性的平面形状和展弦比差别较大的昆虫翅膀作为研究对象.这10种昆虫分别是果蝇、大蚊、蜂蝇、食蚜蝇、瓢虫、熊蜂、蜜蜂、草蜻蛉(前翅)、鹰蛾 和蜻蜓 (前翅).研究结果表明:翅膀面积的二阶矩折合半径越大其气动力越大,当使用翅膀面积的二阶矩折合半径处的速度作为参考速度时,翅膀平面形状对无量纲气动力的影响很小.当翅膀展弦比有较大变化(从2.8增大到5.5)时,气动力系数只有很小的变化.流动的三维效应减弱和部分前缘涡(LEV,Leading-Edge Vortices)的脱落,这两种效果相互抵消,导致气动力系数变化不大.      

蜻蜓爬升过程飞行特征实验研究

昆虫真实飞行过程中的飞行特征是仿生流体力学机理研究的基础和关键。本文针对蜻蜓(黄蜻)大、小爬升角2种飞行状态的运动规律和动力学特性展开研究,根据蜻蜓的趋光特性诱导其进行爬升飞行。采用2台光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了2种爬升飞行过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行动力学特性对比分析。实验结果表明:蜻蜓在进行大爬升角爬升时需要的上升力大于向前的推力,最大拍动幅度比小爬升角爬升时约大40%;扑翼频率比小爬升角爬升时约大3.3 Hz,前后翅相位差相对于小爬升角爬升时减小20°以上;另外,大爬升角爬升过程中前翅前倾角度更大,这样能够使蜻蜓身体保持更大的俯仰角,翅膀能够获得更大的上升力。      

食蚜蝇悬停飞行时的气动特性

用数值求解N-S(Navier-Stokes)方程的方法得到了食蚜蝇在拍动平面倾斜悬停飞行时的气动力和气动力矩,利用得到的气动力矩和已知的翅膀的惯性矩求得食蚜蝇悬停时的能耗,并将得到的气动力和能耗与正常悬停时的进行比较.主要结果为:维持食蚜蝇体重所需的举力主要由下拍产生,该举力是由翅膀的升力和阻力共同贡献的,这两点均与水平拍动的情形不同;飞行的比功率为31.71 W·kg^-1,与正常悬停时接近,这表明此种悬停方式有便于进行机动飞行的优点,但不带来额外的能耗.     

仿生机器鱼尾鳍拍动的控制算法

两关节尾鳍拍动控制是一个在高速、大载荷下的运动控制问题,它要求同时保证速度和位置波形失真都比较小.论证了尾鳍拍动推进方式与鱼体波动推进方式的一致性,根据尾鳍拍动的运动规律导出了用于拍动控制的数学模型.基于SPC-III机器鱼硬件平台,在主臂控制上,提出了根据摆角位置解算转速,并结合时间与摆角位置关系进行速度补偿的算法;在小臂控制上,提出了根据两关节摆角位置的关系及程序循环周期解算小臂目标位置的跟随算法.对高频拍动的实现进行了探讨.在试验中对尾鳍拍动的跟随性进行了验证.      

蜻蜓爬升过程间歇性拍动飞行现象的数值研究

采用数值模拟方法研究了蜻蜓双翼做间歇性拍动运动时的气动特征。计算结果表明,在所研究的雷诺数工况下(Re=157),模型翼的平均升力系数和平均推力系数随着间歇占比的增大而减小,前段下降较快,中段下降平缓,后段下降至零。其中平均推力系数受到的影响相对平均升力系数更大,当连续飞行转变为间歇性飞行时,短暂滑翔初期和短暂滑翔稳定阶段均大幅削弱推力系数,共占42.7%;而对于升力系数,短暂滑翔稳定期对升力系数的削弱作用很大,占41.4%,但短暂滑翔初期却对平均升力系数的提高贡献8%。间歇拍动飞行能够提高蜻蜓飞行的升推比,当滑翔时长占间歇飞行周期之比为0.3时,平均升推比接近为1。     

翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析

为验证蝗虫通过翅膀不对称运动进行空中姿态调整机理,设计了仿蝗虫空中姿态调整机器人系统,通过曲柄摇杆机构实现翅膀拍动。分析了机构特性,建立了翅膀拍动模型,计算了不同拍动频率、不同拍动幅值下翅膀受力及力矩情况,分析了左右翅膀同步拍动与异步拍动时对机体产生的影响。最后,搭建了实验验证平台,实验结果表明,左右翅膀的同步拍动不会引起机体姿态较大变动,而两侧翅膀拍动相位的不同将引起机体来回摆动,拍动幅值的不同将引起机体的滚转运动,且拍动频率越高,机体滚转越明显。证明了蝗虫利用翅膀不同步运动进行空中姿态调整机理的正确性,也为仿蝗虫机器人空中姿态调整设计提供了依据。      

飞翼布局飞机侧风起降特性

飞翼布局飞机的动态特性与常规飞机相差较大,在侧风起降过程中呈现出新的运动特性。对侧风起降过程中飞翼布局飞机的配平特性与响应特性进行了计算与分析,掌握了其区别于常规飞机的特点,侧风对飞翼布局飞机起降安全影响最严重为侧翻效应;结合新型操纵舵面的操纵特性与使用特性,对飞翼布局飞机起降阶段的效能需求开展了分析;通过对常用的侧风操纵策略进行了仿真计算与对比分析,提出了适用于飞翼布局飞机的侧风起降操纵策略。     

仿生扑翼机构的设计与运动学分析

仿生扑翼机构的设计以实现昆虫的扑翼形式为目标,通过仿生学与工程实际相结合,将昆虫复杂的扑翼运动分解为平扇与翻转两个基本动作,同时这两个自由度必须协调运动.仿生扑翼机构主要包括并联的两组曲柄摇杆机构与差动轮系两个部分,由直流伺服电机作为驱动,将曲柄的连续旋转输入转换为翅膀的平扇与翻转两自由度复合运动输出.通过建立运动模型对仿生扑翼机构进行运动学分析,得到扑翼的扇翅角及翅攻角与时间的关系曲线,然后选择合理的扑翼机构几何参数及齿轮副的传动比构筑扑翼机构样机,实现了预期的扑翼形式.      

大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.     

大展弦比飞翼作战飞机横航向飞行品质特性

基于MIL-STD-1797A飞行品质规范,开展了针对大展弦比飞翼作战飞机滚转轴和偏航轴飞行品质特性的研究.随着控制系统对系统动态特性调节作用的日益增强,由飞机构型所引起的动态响应特性差异已变得越来越小,飞翼飞机的闭环滚转模态、螺旋模态、滚转-螺旋耦合振荡、荷兰滚模态、驾驶员座位处的侧向加速度等均可达到较好的飞行品质,但稳态配平特性主要受构型的影响,不能完全满足飞行品质的要求;分析了大展弦比飞翼作战飞机在快速滚转、侧风起降和非对称推力情形下的对滚转轴和偏航轴操纵效能的要求,由于气动构型和操纵面配置等差异,大展弦比飞翼作战飞机在完成某些飞行任务时对操纵效能的需求与常规构型的飞机存在着较大差异.