介电弹性薄膜翼型的增升效应机理

蝙蝠在低雷诺数飞行状态能够通过膜翼的主动变形使其获得高机动性和飞行效率。这种翼型主动变形的仿生特性为智能飞行器气动与控制设计提供了新的思路。本文将介电弹性高聚合物材料直接应用到了翼型的设计中，利用介电弹性体电致变形的特点提出了具有主动控制功能的介电弹性薄膜翼型。针对电活性材料结构的力学特性，引入热力学理论框架，描述力-电耦合效应。采用CFD/CSD耦合技术建立基于介电弹性聚合物材料的气动-结构-电磁耦合动力学模型，并对所提方法进行验证。研究结果表明，介电弹性薄膜翼型在攻角为14°时相对刚性翼型增升12.33%，且翼型弯度变形与振动效应对增升的贡献比为3∶2；当外加电压使得流场频率与振动频率在前两阶频率相同，且二阶主频率不小于刚性翼型流场二阶主频时，介电弹性薄膜翼型的增升效应高于10%。所提方法与研究结论为研发智能飞行器的气动分析与控制设计提供了重要的技术支撑。