Nonlinear dynamics of a flapping rotary wing: Modeling and optimal wing kinematic analysis

The analysis of the passive rotation feature of a micro Flapping Rotary Wing(FRW)applicable for Micro Air Vehicle(MAV) design is presented in this paper. The dynamics of the wing and its influence on aerodynamic performance of FRW is studied at low Reynolds number(~10~3).The FRW is modeled as a simplified system of three rigid bodies: a rotary base with two flapping wings. The multibody dynamic theory is employed to derive the motion equations for FRW. A quasi-steady aerodynamic model is utilized for the calculation of the aerodynamic forces and moments. The dynamic motion process and the effects of the kinematics of wings on the dynamic rotational equilibrium of FWR and the aerodynamic performances are studied. The results show that the passive rotation motion of the wings is a continuous dynamic process which converges into an equilibrium rotary velocity due to the interaction between aerodynamic thrust, drag force and wing inertia. This causes a unique dynamic time-lag phenomena of lift generation for FRW, unlike the normal flapping wing flight vehicle driven by its own motor to actively rotate its wings. The analysis also shows that in order to acquire a high positive lift generation with high power efficiency and small dynamic time-lag, a relative high mid-up stroke angle within 7–15° and low mid-down stroke angle within -40° to -35° are necessary. The results provide a quantified guidance for design option of FRW together with the optimal kinematics of motion according to flight performance requirement.     

共轴双旋翼前飞气动特性固定尾迹分析

采用无限片桨叶的固定尾迹分析法,建立了前飞状态下共轴双旋翼的固定尾迹模型,对共轴双旋翼的前飞气动特性进行了理论研究.得到给定几何参数、桨盘间距和飞行状态下求解上下旋翼气动特性的完整算法.通过与试验数据对比证明了理论方法的正确性.      

昆虫飞行的高升力机理和能耗

昆虫的飞行机理可能为微型飞行器所借鉴,因而近来人们对其十分关注.在过去10年中,该领域的工作有了较大的进展.回顾了这10年中该领域的研究工作:首先,简述昆虫翅的拍动运动;其次,探讨拍动翅的非定常高升力机制;然后,讨论昆虫悬停和前飞时的能耗问题;最后,介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫——蜻蜓飞行的研究结果.      

双三角机翼前缘涡襟翼的试验研究

通过风洞试验对双三角翼的内涡襟翼及外涡襟翼进行了研究.探讨了影响涡襟翼效率的各种因素及其规律,其中包括机翼前缘区状态、涡襟翼形状、涡襟翼偏度、内、外涡襟翼的搭配以及后缘襟翼效率等.尤其是根据内外翼涡场的不同研究了复合平面形状机翼内涡襟翼与外涡襟翼设计上的特点,为设计双三角翼的涡襟翼提供了参考数据.研究结果表明,正确设计前缘涡襟翼与后缘襟翼可以优化大后掠双三角机翼的低速性能.     

压敏漆图像数据处理技术

针对压敏漆工程应用的迫切需求,开发了压敏漆图像数据处理软件.采用了两种图像配准方法,并对二者的配准效果进行了对比.介绍了两种图像数据三维还原方法,采用直接线性变换将二维图像坐标与模型空间坐标联系起来,得到了模型表面的真实压力分布数据.引用作者在超声速风洞中完成的三角翼模型压敏漆试验的部分结果,验证了图像数据处理程序的有效性.     

某型飞机机翼防冰系统计算分析

主要针对某型飞机机翼的热气防冰系统计算分析,得到水滴直径变化对撞击极限的影响,飞行马赫数变化对机翼表面换热系数的影响,分析了不同飞行高度湿表面和干表面的温度分布.结果表明水滴撞击区随着水滴直径增加而增大;机翼表面的换热系数随飞行马赫数的增加而增加;在相同计算条件下,干表面温度比湿表面温度要高.对多个典型截面以及其在不同飞行状态的计算结果表明,在给定的计算条件下,4km及7km时防冰系统工作都是有效的,7km时表面部分位置湿表面温度低于0℃.      

一种仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制的仿真估算研究

基于准稳态气动力模型,推导了仿蜜蜂类昆虫扑翼气动力和力矩估算公式,建立了扑翼运动函数.将仿蜜蜂类昆虫扑翼视为空间运动刚体,在其动力学方程基础上,采用分层控制策略研究悬停控制问题.外层为位置控制,X和Y位置应用PD控制算法,Z位置应用切换控制方法;内层姿态控制采用切换控制方法,并选择了一套机翼运动参数用于切换控制.最后进行了仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制仿真试验,试验结果表明所设计的控制策略是有效的,一旦昆虫扑翼受到干扰偏离平衡位置后,通过自动调节能够回到平衡位置附近.      

自适应机翼技术的分类和实现途径

自适应机翼技术研究可分为通过机翼结构较小尺度变形的流动控制设计和较大尺度改变机翼几何构型的自适应结构设计两个范畴。改变机翼构型的自适应结构又包括可变前后缘结构、扭转机翼盒段结构、可变展弦比机翼结构这三种实现方式。根据目前自适应机翼技术的研究现状,归纳出了实现机翼自适应功能的两种途径,其中,采用智能材料结构进行驱动控制的研究代表了自适应机翼技术的发展趋势,而基于传统材料结构的自适应机翼技术则在现阶段更具有工程应用价值。     

实现柔性机翼后缘形状变化的综合优化(英文)

Adaptive wings have long used smooth morphing technique of compliant leading and trailing edge to improve their aerodynamic characteristics. This paper introduces a systematic approach to design compliant structures to carry out required shape changes under distributed pressure loads. In order to minimize the deviation of the deformed shape from the target shape, this method uses MATLAB and ANSYS to optimize the distributed compliant mechanisms by way of the ground approach and genetic algorithm （GA） to remove the elements possessive of very low stresses. In the optimization process, many factors should be considered such as airloads, input displacements, and geometric nonlinearities. Direct search method is used to locally optimize the dimension and input displacement after the GA optimization. The resultant structure could make its shape change from 0 to 9.3 degrees. The experimental data of the model confirms the feasibility of this approach.     

基于N-S方程的民航机翼双目标优化设计

提出了一种可用于民航机翼的双目标优化设计方法.优化中的设计变量为给定机翼沿展向若干个剖面的厚度与扭角,优化目标为固定升力系数下的升阻比和机翼容积.采取N-S(Navier-Stokes)方程作为流场求解器,Powell方法作为优化求解方法,对Lockheed-AFSOR Wing A 某民航机翼进行了优化设计.在马赫数为0.6217条件下,Wing A 机翼双目标优化结果优于单目标优化结果.对某实际应用的民航机翼在巡航马赫数为0.78、升力系数为0.48的优化结果也表明,该方法能有效提高机翼升阻比和容积.相对初始机翼,双目标优化机翼最大相对厚度在翼根处增大,翼梢处减小,扭角绝对值相对初始机翼沿展向均减小.该双目标优化设计方法优于常规的单目标优化设计方法,可以为民航机翼的工程设计提供有益的参考.