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.      

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT(矩形分割)全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。     

基于虚拟飞行的混合翼身融合布局操稳特性

针对混合翼身融合布局面临的三轴运动耦合和大迎角失稳等潜在操稳问题，研制三自由度虚拟飞行试验系统，基于动力学相似模型开展纵向和横航向开环虚拟飞行试验，对飞机的本体操稳特性进行研究。结果表明：该混合翼身融合布局飞机纵向和航向开环操纵均存在三轴运动耦合现象。纵向操纵会引起大迎角极限环失稳现象，迎角振荡平衡位置约为28°、振荡幅值约为2.56°、振荡主频率为0.55 Hz，振荡过程中气动力呈现非定常特性；V型尾翼偏航操纵响应呈现横向运动幅值最大、偏航运动次之、俯仰运动最小的特点。     

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。      

破译里海怪物之谜

中国“天翼”起飞 我国地效飞行器研制工作起步也是比较早的。从上世纪60年代中期开始,中船总的研究所和航空605所等单位,进行了有关问题的研究和小型实验样机的研制。经过40年的努力,船总的702所和708所已先后研制出“信天翁”系列和“小天鹅”小型地效飞行器,也叫地效翼船,其中,“信天翁”系列地效翼船具有在地效区以外飞行的能力。但上述型号都还处于试验样机阶段,进入实用化尚有一定距离。     

胸鳍扑翼式机器鱼的设计及水动力实验

提出了一种基于胸鳍拍动推进的仿生机器鱼的设计模型,并对其进行了水动力实验研究.首先根据仿生对象的胸鳍运动和结构特点设计了由直流伺服电机驱动的扑翼式机器鱼,然后设计了推力测试实验装置,在北京航空航天大学机器人所的低速水洞中完成了机器鱼的推力和功耗测试实验,获得了推力系数和效率随Sr(斯特劳哈尔数)变化的曲线.实验结果表明最大推力系数和效率都在Sr=0.4时达到,该结果与前人关于游动和飞行生物保持高效推进时Sr的范围一致.机器鱼的自由航行实验进一步验证了水洞测力实验结果,最大航行速度可达0.64 m/s,约1.5倍身长比,相比国内外的同类仿生机器鱼具有较大的速度优势.实验结果表明:该仿生设计模型可以很好地模拟牛鼻鲼的推进方式,较大提高胸鳍扑翼式机器鱼的速度,为仿生水下航行器的设计提供了一种思路.      

翼身结合框结构仿生设计

相似是仿生的基础,全面系统地理解工程原型的功能需求和生物体各个层次的优异结构,准确把握生物体与工程原型的相似性,是结构仿生设计的关键.为减轻翼身结合框重量,分析了竹干与翼身结合框相似的承力性能,借鉴竹干的细观结构形状和排列方式,应用结构仿生原理设计了仿生翼身结合框.有限元分析结果表明,在保证结合框强度、刚度的前提下,仿生结构与原型相比重量可减轻2.1％.     

栅格翼展开等效试验方法研究CSCD

为了在运载器真实飞行前对栅格翼展开过程和系统力学性能进行考核,针对现有模拟试验方法不能有效模拟飞行工况栅格翼在气动力作用下展开过程及该过程对壳体和栅格翼的冲击的问题提出了一种等效试验方法,试验结果表明具有很好的可行性和有效性,为后续类似试验提供了有益的参考。     

栅格翼展开等效试验方法研究

为了在运载器真实飞行前对栅格翼展开过程和系统力学性能进行考核,针对现有模拟试验方法不能有效模拟飞行工况栅格翼在气动力作用下展开过程及该过程对壳体和栅格翼的冲击的问题提出了一种等效试验方法,试验结果表明具有很好的可行性和有效性,为后续类似试验提供了有益的参考。     

栅格翼展开等效试验方法研究

为了在运载器真实飞行前对栅格翼展开过程和系统力学性能进行考核,针对现有模拟试验方法不能有效模拟飞行工况栅格翼在气动力作用下展开过程及该过程对壳体和栅格翼的冲击的问题提出了一种等效试验方法,试验结果表明具有很好的可行性和有效性,为后续类似试验提供了有益的参考。     

一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计

为提高仿生附着装置在捕获空间非合作目标物时对目标运动参数的适应性,设计了一种3自由度串联柔顺关节,可通过关节嵌入系统后的协调运动来辅助装置被动适应运动目标物姿态,并在运动过程中基于弹簧、阻尼缓冲器组成的关节柔顺机构及其能量耗散原理来降低目标物动能。为验证、优化关节性能,通过ADAMS虚拟样机软件建立了基于柔顺关节的仿生附着装置捕获过程运动学与动力学模型,分析了柔顺关节3组弹簧刚度系数、黏滞阻尼系数对非合作目标物捕获状态的影响,并利用ADAMS-iSIGHT联合仿真平台,通过多岛遗传算法对上述弹簧、阻尼器的重要参数进行了优化,极大提高了柔顺关节的能量耗散效果,同时保证了可捕获目标物运动参数达到规定要求。      

复合材料梁的热弯实验

为研制先进的导弹弹翼，用新研制的复合材料制成工字梁，模拟导弹飞行时翼梁受热弯条件进行实验，测出梁的温度和挠度随时间变化曲线，确定正常使用条件和失效形式，用此复合材料代替现役导弹的金属材料，可明显减重，改善性能。     

直升机人机协同控制方法研究与飞行验证

人机协同系统可以充分发挥人类智慧的优越性和机器人作业的高精度与高效率，被广泛应用于决策指挥、工业控制和医疗手术等领域。飞行员驾驶飞行器时需要实时处理大量信息并给出精准操控，操纵负担大。基于典型单旋翼直升机的操控特点，设计一种直升机协同驾驶机器人系统，驾驶机器人连接直升机周期变距杆控制直升机的俯仰运动和滚转运动，飞行员通过总距杆和脚蹬控制直升机的航向运动和升降运动。协同驾驶机器人可以在不改装原有直升机的基础上实现一种新型的人机协同飞行控制，快速提升现有直升机的自动化水平和飞行员在应急情况下的生存能力。研究驾驶机器人控制系统模型，建立适用于直升机人机协同控制的飞行模拟平台，通过飞行员在环飞行仿真初步验证了人机协同控制方法的可行性。在飞行仿真验证的基础上研制了驾驶机器人样机，并将样机搭载在SVH-4直升机上完成飞行实验验证。     

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.      

可变后掠翼联动驱动机构设计与尺寸综合

可变后掠翼飞行器通过改变其机翼后掠角,可实现在不同飞行速度条件下,达到最佳飞行状态。为了实现在单驱动下机翼后掠角变化时,同时实现机翼部分蒙皮的展收,基于平面复合连杆机构,提出一种可变后掠翼联动驱动机构。为了解决该机构函数生成与运动生成综合相结合的尺寸综合问题,将复合连杆机构拆分为3个子机构,通过矢量方程法对机构进行分析,建立复合连杆机构的矢量环路方程,并对机构的可动性进行分析。结合机构矢量环路方程,提出一种利用优化算法与运动学分析软件判断机构可动性、优化机构性能的尺寸综合方法。结合相应实例,使用所提方法对机构进行设计,获得了满足可动性要求、尺寸约束,且包络面积最小的机构尺寸构型,证明了所提方法的有效性。     

面向控制的仿鸽扑翼机纵向动力学建模与分析

鸽子飞行时常采用变频率和变振幅模式来操控翅膀扑动与扭转以达到高效飞行的目的。为了给研究扑翼机控制和分配算法提供通用的设计验证平台,建立包含3个控制输入自由度的仿鸽扑翼机动力学模型,并开展开闭环模型有效性验证。考虑机翼运动惯性力和力矩,基于Kane方程建立仿鸽扑翼机的纵向多刚体非线性模型。选择升降舵偏转角、机翼扑动角振幅和机翼扭转角振幅作为控制输入,定义机翼定周期扑动的操纵机制,估算面向控制模型所需的气动导数和操纵导数,建立面向控制的仿鸽扑翼机线性时变周期系统模型。基于Floquet理论对线性时变周期系统模型进行动稳定性分析,结果与开环时域仿真一致。从闭环角度对模型有效性和适应性进行验证,仿真表明,所建模型能有效反映仿鸽扑翼机时变周期动力学特性,并能支撑控制分配方法的设计研究。     

翼伞系统纵向飞行性能分析

翼伞系统的飞行性能不仅取决于翼伞本身的气动特性,而且与安装角、伞绳长度、回收物阻力特征、翼载荷等系统参数密切相关。文章应用拉格朗日方程建立翼伞系统的纵向飞行力学模型,对翼伞系统进行飞行力学数值仿真,深入分析了系统参数以及开伞状态对翼伞系统纵向飞行性能的影响规律。结果表明：只有安装角在0°～20°时,翼伞系统才能达到稳定的滑翔状态,且安装角在4°～6°时对应两个稳定的滑翔状态,具体由开伞姿态和速度决定;伞绳特征长度的增加使系统的静稳定性增加;回收物的阻力特征增加6m2,翼伞系统的稳定滑翔角增加15°左右,而迎角减小不到1°;翼伞飞行速度随着翼载荷的增加而增加,其平方与回收物质量成正比。上述结论可为翼伞系统的工程实际应用提供参考。     

仿蝗虫跳跃机构设计与分析

以蝗虫跳跃特性为依据,设计出一种仿蝗虫弹跳机构并对其弹跳机理进行研究.首先从生物学和机构运动学相结合的角度,对蝗虫的跳跃过程进行观察和分析,研究蝗虫后腿的跳跃机理,发现跳跃后腿膝关节在起跳过程中的重要作用.利用虚拟样机建立蝗虫模型,对蝗虫的跳跃过程进行仿真.根据蝗虫跳跃机理和后腿结构特点,基于提高能量利用率和弹跳效率原则,设计出一种单自由度的仿蝗虫跳跃机构模型,对该机构在起跳阶段进行运动性能分析,通过与蝗虫跳跃仿真结果进行比较,证明该跳跃机构具有与蝗虫弹跳后腿近似的力学特性.最后通过机构的样机实验验证了分析结果,为进一步研究仿生高效的柔性跳跃机构奠定基础.     

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.