仿鸟型扑翼飞行器气动/结构/飞行力学耦合研究进展

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。     

竹象虫后翅结构力学和空气动力学特性

为研究长足大象甲后翅结构特性和飞行过程的空气动力学特性,建立长足大象甲后翅翅脉特征曲线的数学模型,利用有限元软件对其进行均匀载荷、垂直载荷和扭转载荷3种不同载荷下的静态分析和模态分析。基于嵌套网格法在Fluent软件中模拟后翅上下扑动,分析不同扑动幅值、扭转角度和扑动频率下的后翅升力系数和阻力系数变化规律。结果表明：长足大象甲后翅翅脉分布具有良好的结构刚度和承载能力,在受到不同载荷时,位移和应力的变化较小,结构稳定性较强,并且后翅振动频率为90.312 Hz,与同类昆虫相比,更符合微型扑翼飞行翼研发要求。此外,模拟试验表明长足大象甲后翅可以通过改变扑动幅值、扭转角度和扑动频率来提高升力和推力以实现特技飞行。     

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。     

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。     

微型扑翼飞行器风洞试验初步研究

 为了对微型扑翼飞行器空气动力学基本特性进行定量研究,利用西北工业大学微型飞行器专用风洞对微型扑翼飞行器机翼进行初步风洞吹风试验。试验中进行了扑动频率、风速、迎角、机翼平面形状、翼型弯度对机翼气动特性影响的研究。通过试验得出了微型扑翼飞行器升力、推力产生的基本规律,为微型扑翼飞行器总体设计和气动设计提供了参考。     

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。     

扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究

通过均匀试验法在设计变量状态空间内寻找分布更均匀、更能反映系统性能的状态点,使用改进的片条理论计算机翼的气动特性,建立了扑翼飞行器机翼面积分布(尖削比)、扑动迎角与扑动频率的响应面模型,得到了尖削比对机翼气动特性的影响规律和机翼升力系数关于尖削比、频率与迎角的估算公式。     

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。     

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

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。     

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。     

高频扑动微扑翼飞行器多目标优化设计

微扑翼飞行器高频扑动时机翼与机身最大载荷急剧增加,严重影响飞行性能和飞行寿命。分析微扑翼扑动过程中机翼运动情况及受力情况,建立扑动过程中机翼升力、阻力和惯性力数学模型,提出以改善载荷在时间域上分布情况为目标的多目标优化模型,并且在Matlab环境下采用NSGA-Ⅱ算法进行求解,得到悬停状态下的Pareto最优解集。结果表明:提出的优化模型使升力峰值与惯性力峰值显著降低,载荷分布情况得到明显改善。     

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。      

空间曲柄摇杆扑翼机构设计分析

为了提高扑翼机构两侧运动支链的运动对称性,进而扑翼增强飞行器滚转稳定性,分析了平面曲柄摇杆扑翼机构运动不称的原因,提出并构建了一种空间曲柄摇杆扑翼机构.计算仿真和样机试验结果表明,与平面空间摇杆扑翼机构相比,两翼扑动对称性有所提高;试飞实验表明在扑翼飞行器中采用空间曲柄摇杆扑翼机构能够使提高滚转稳定性.该空间曲柄摇杆扑翼机构结构紧能够满足构建小型扑翼飞行器的需要.      

蜻蜓非对称扑动时的气动特性

蜻蜓等昆虫作为飞行领域的佼佼者具有优异的机动性能,然而基于仿生学研制的微型扑翼飞行器在机动性能方面却远不如昆虫。为研究昆虫机动飞行时的气动特性,采用有限体积法(FVM)对蜻蜓左右两侧翅膀非对称扑动时的三维气动力及力矩进行了数值计算,并对不同扑动幅值下蜻蜓的整体气动性能以及每一个翅膀的气动性能、压力分布及流场结构进行了系统分析。结果表明:仅需增加某侧两翅的扑动幅值即可实现向另一侧的机动飞行;相比后翅,扑动幅值对前翅的升推力、滚转及偏航力矩影响较大,而对侧向力的影响较小;扑动幅值对翅膀的瞬时阻力、侧向力、偏航及俯仰力矩在整个扑动周期内均产生了明显影响,而对瞬时升力和滚转力矩的影响则集中在下扑阶段;扑动幅值改变了翅膀前缘涡、尾涡的强度及上下表面的压力差,在下扑阶段,翅膀和蜻蜓对称面有个相对倾角,气动合力产生了较大的侧向力,而上扑阶段,翅膀几乎垂直对称面,产生的侧向力较小。以上结果对于仿生扑翼飞行器的控制及气动设计具有一定指导意义。     

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。     

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。     

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.      

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。     

基于双向流固耦合的柔性扑翼变形数值研究

通过研究柔性扑翼变形、惯性力及气动力的相互关系和作用机理,为扑翼飞行器的设计提供参考。在考虑扑翼运动特点的情况下,发展了一种求解雷诺平均N-S方程和结构动力学方程的双向流固耦合数值方法。对柔性翼惯性力方程进行改进,使其更方便与气动升力进行数值对比。针对柔性翼变形研究的困难性,提出了一种通过全翼面应变去分析柔性翼变形的方法。研究结果表明:柔性翼的扑动频率对惯性力和气动升力的影响程度较为一致;柔性翼应变主要集中在前缘和翼根周围,随着远离前缘和翼根,其应变值逐渐减小,应变一定程度上可以反映柔性翼的弦向变形;柔性翼变形导致推力在整个周期上的主要方向为正,能够显著提升扑翼飞行能力。