上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）飞行仿生_2007-蜻蜓翅翼拍动机理研究和模拟装置研制.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目录摘要...........................................................................................................................I Abstract ....................................................................................................................... II 第 1 章绪论............................................................................................................ 1 1.1 课题的背景和意义......................................................................................... 1 1.2 国内外仿生微扑翼飞行器研究的发展综述................................................. 2 1.2.1 国外仿生微扑翼飞行器研究的现状...................................................... 2 1.2.2 国内仿生微扑翼飞行器研究的现状...................................................... 5 1.3 课题研究的主要内容..................................................................................... 6 第 2 章仿生微扑翼飞行器机翼有限元模型的建立.............................................. 7 2.1 仿蜻蜓翅翼有限元模型的建立..................................................................... 7 2.1.1 仿蜻蜓翅翼几何物理模型的建立.......................................................... 7 2.1.2 单元类型的选择.................................................................................... 10 2.1.3 单元特性的定义.................................................................................... 11 2.1.4 有限元网格划分.................................................................................... 12 2.2 本章小结....................................................................................................... 13 第 3 章蜻蜓扑翼飞行翅翼流固耦合分析............................................................ 14 3.1 引言............................................................................................................... 14 3.2 蜻蜓拍翅时流场分析................................................................................... 14 3.2.1 模拟方法................................................................................................ 14 3.2.2 数值计算思路及初始计算模型的确定................................................ 17 3.2.3 数值计算及结果讨论............................................................................ 19 3.3 蜻蜓翅翼拍动时的力学分析....................................................................... 24 3.4 修改后的流场分析....................................................................................... 27 3.5 本章小结....................................................................................................... 29 第 4 章蜻蜓翅翼拍动模拟试验装置研制............................................................ 31 4.1 引言............................................................................................................... 31 4.2 蜻蜓翅翼拍动模拟试验装置设计要求....................................................... 31 4.3 蜻蜓翅翼拍动模拟试验装置机械装置结构设计....................................... 32 4.3.1 总体结构设计........................................................................................ 32 4.3.2 柔性铰链及支撑部件设计.................................................................... 32

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1课题的背景和意义自从上世纪初莱特兄弟成功制造第一架滑翔机以来，经过了一个多世纪的研究与发展，人类制造的飞行器却仅局限于固定翼与旋翼两种类型，而自然界中无论是鸟类还是昆虫类的飞行均无一例外的属于扑翼类。随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学以及新型材料等的快速发展，仿生微扑翼飞行器目前己成为一个新的研究热点。由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，国外许多研究机构都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，并且国内的一些科学家们也开始了这方面的相关基础性研究山。仿生微扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行器相比，它便具有独特的优点可：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以实现用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。在当今战场上，第一空间指陆地，第二、三、四空间分别指海洋、空中、字宙，在离地面300米以下的边缘空间一超低空空间叫做第五空间，这一空间是雷达致盲区，有利于达成作战行动的突然性：而且还是防空火力网的“黑洞”，各军事强国都在致力于这一空间的争夺刷。而仿生微扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在这一空间，微扑翼飞行器能完成许多其他飞行器所无法执行的任务4，如低空侦察、实施突袭、城市作战、信号干扰、生化探测、通信中继等。除了在国防领域诱人的应用前景外，在民用领域的应用价值也不可小视。在交通方面，它可以昼夜巡视于某一区域，及时发现各种交通隐患或交通事故：在监测方面，它可以进行环境监测、气象监测、海洋监测、森林防火监测、洪 -1

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章绪论 1.1 课题的背景和意义自从上世纪初莱特兄弟成功制造第一架滑翔机以来，经过了一个多世纪的研究与发展，人类制造的飞行器却仅局限于固定翼与旋翼两种类型，而自然界中无论是鸟类还是昆虫类的飞行均无一例外的属于扑翼类。随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学以及新型材料等的快速发展，仿生微扑翼飞行器目前已成为一个新的研究热点。由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，国外许多研究机构都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，并且国内的一些科学家们也开始了这方面的相关基础性研究[1]。仿生微扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行器相比，它便具有独特的优点[2]：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以实现用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。在当今战场上，第一空间指陆地，第二、三、四空间分别指海洋、空中、宇宙，在离地面 300 米以下的边缘空间——超低空空间叫做第五空间，这一空间是雷达致盲区，有利于达成作战行动的突然性；而且还是防空火力网的“黑洞”，各军事强国都在致力于这一空间的争夺[3]。而仿生微扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在这一空间，微扑翼飞行器能完成许多其他飞行器所无法执行的任务[4]，如低空侦察、实施突袭、城市作战、信号干扰、生化探测、通信中继等。除了在国防领域诱人的应用前景外，在民用领域的应用价值也不可小视。在交通方面，它可以昼夜巡视于某一区域，及时发现各种交通隐患或交通事故；在监测方面，它可以进行环境监测、气象监测、海洋监测、森林防火监测、洪

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文涝灾情监测、农作物病虫监测：在人员营救方面，它可以用于搜寻在倒塌房屋中的伤员，在山林地带搜寻迷失登山者：在巡逻方面，它还可以用于航空摄影、空中测绘、损伤评估、消防灭火指挥、排雷、资源调查、野外考察和旅游探险等。现实中，自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，因此这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于 15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，仿生微扑翼飞行器也必将在该研究领域中占据主导地位)。生物飞行能力和技巧的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，仿生微扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小的多，并且还具有优异的快速起落、悬停能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜻蜓等昆虫那样高频扑翅运动却非常困难，目前设计仿生扑翼飞行器所遇到的结构、材料以及控制技术等问题仍是很大的难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键还是在于人类要去不断的尝试。本课题就是从蜻蜓翅翼结构及运动特性等问题入手，考虑了翅翼在拍动过程中空气的耦合作用，利用有限元等理论初步尝试对蜻蜓翅翼在飞行过程中的受力进行分析，从而为下一步开发出具有更优运动性能的自定义仿生微扑翼飞行器机翼做好铺垫。此外，在研究蜻蜓飞行特征的基础上，设计制造了一台用于模拟蜻蜓扑翼飞行的试验装置，为下一步飞行机理的试验研究奠定了一定基础。 1.2国内外仿生微扑翼飞行器研究的发展综述 1.2.1国外仿生微扑翼飞行器研究的现状自20世纪中后期以来，鉴于仿生微扑翼飞行器潜在的更具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸引了诸多研究者的关注，关于较小尺寸微型扑翼飞行器的空气动力学研究也逐渐成为热点。 1973年Weis Fogh在对黄蜂飞翔运动研究的基础上，提出了一种产生升力的“振翅拍击和挥摆急动(Clap and Fling)”机构，并论述了这种机构产生瞬时 -2

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 涝灾情监测、农作物病虫监测；在人员营救方面，它可以用于搜寻在倒塌房屋中的伤员，在山林地带搜寻迷失登山者；在巡逻方面，它还可以用于航空摄影、空中测绘、损伤评估、消防灭火指挥、排雷、资源调查、野外考察和旅游探险等。现实中，自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，因此这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于 15cm 时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，仿生微扑翼飞行器也必将在该研究领域中占据主导地位[5]。生物飞行能力和技巧的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，仿生微扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小的多，并且还具有优异的快速起落、悬停能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜻蜓等昆虫那样高频扑翅运动却非常困难，目前设计仿生扑翼飞行器所遇到的结构、材料以及控制技术等问题仍是很大的难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键还是在于人类要去不断的尝试。本课题就是从蜻蜓翅翼结构及运动特性等问题入手，考虑了翅翼在拍动过程中空气的耦合作用，利用有限元等理论初步尝试对蜻蜓翅翼在飞行过程中的受力进行分析，从而为下一步开发出具有更优运动性能的自定义仿生微扑翼飞行器机翼做好铺垫。此外，在研究蜻蜓飞行特征的基础上，设计制造了一台用于模拟蜻蜓扑翼飞行的试验装置，为下一步飞行机理的试验研究奠定了一定基础。 1.2 国内外仿生微扑翼飞行器研究的发展综述 1.2.1 国外仿生微扑翼飞行器研究的现状自 20 世纪中后期以来，鉴于仿生微扑翼飞行器潜在的更具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸引了诸多研究者的关注，关于较小尺寸微型扑翼飞行器的空气动力学研究也逐渐成为热点。 1973 年 Weis Fogh 在对黄蜂飞翔运动研究的基础上，提出了一种产生升力的“振翅拍击和挥摆急动(Clap and Fling)”机构，并论述了这种机构产生瞬时

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文升力的机理阿。l991年Delaurier等人成功试飞了无线电遥控的由发动机驱动的扑翼机，并给出了其飞行动力学模型☑。1994年Smith用有限元法和气动翼段法建立了飞蛾翅膀的弹性动力学与空气动力学耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯曲和扭转振型，并与刚性翼模型进行了对比[8.1996 年英国剑桥大学的Ellington等人为研究扇翅周围的旋涡，研制了雷诺数与天蛾相同的扇翅模型一扇板，此扇板在下扇时产生一种强烈的前缘旋涡，力量很大，是对升力的一种解释9.1997年Hall等人提出一种使扑翼大幅值拍打产生升力和推力的最小环流分布的计算方法1o。Jones等人系统地分析计算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、推力和功率山。1999年美国加州大学的 Michael Dickinson等人对机械翅在一个装满矿物油的油罐中进行试验，模拟昆虫在低雷诺数下的飞行情况，得出了昆虫依靠延后失速、旋转循环与尾流捕获的共同作用来产生高升力的结论2。Jones研制出一个具有上下两对均可产生拍打和俯仰运动的翼展为1270mm的扑翼机构，并进行了风洞试验。由此可以看出，国际上关于扑翼的研究已经从单纯理论分析计算开始转向研制实际扑翼机构。微扑翼飞行器的兴起与美国国防高级研究计划局(DARPA)的重视也是分不开的。早在1982年，美国加州大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动机理和空气动力学的试验研究，并在十几年研究的基础上于1998年开始实施微型扑翼飞行昆虫(MF)的研究计划，目的是模拟苍蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器3,1，如图1-1所示。美国乔治亚理工学院(GTRI)的"Entomopters"是工程师Michelson和他的助手研制的仿昆虫微扑翼飞行器，如图1-2所示。这种微型飞行器有着与蝴蝶翅膀相似的机翼，机翼采用特殊结构和材料制成，可在一种往复式化学肌肉驱动(RCM)下上下振动，机翼上下振动能根据昆虫飞行原理提供升力，并使飞行器具有盘旋能力，尾部的天线能够增加平衡作用51)。与此同时，日本东京大学也正在着手基于MEMS技术和昆虫飞行原理研究几个毫米大小的微飞行机器人，他们设计了一种可在交变磁场中振动翅膀的飞行机器人，翅膀的材料为聚酰亚胺和镍，当把此微型飞行机器人放入到交变磁场中后，翅膀上的镍薄将带动翅膀上下振动。 -3

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 升力的机理[6]。1991 年 Delaurier 等人成功试飞了无线电遥控的由发动机驱动的扑翼机，并给出了其飞行动力学模型[7]。1994 年 Smith 用有限元法和气动翼段法建立了飞蛾翅膀的弹性动力学与空气动力学耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯曲和扭转振型，并与刚性翼模型进行了对比[8]。1996 年英国剑桥大学的 Ellington 等人为研究扇翅周围的旋涡，研制了雷诺数与天蛾相同的扇翅模型——扇板，此扇板在下扇时产生一种强烈的前缘旋涡，力量很大，是对升力的一种解释[9]。1997 年 Hall 等人提出一种使扑翼大幅值拍打产生升力和推力的最小环流分布的计算方法[10]。Jones 等人系统地分析计算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、推力和功率[11]。1999 年美国加州大学的 Michael Dickinson 等人对机械翅在一个装满矿物油的油罐中进行试验，模拟昆虫在低雷诺数下的飞行情况，得出了昆虫依靠延后失速、旋转循环与尾流捕获的共同作用来产生高升力的结论[12]。Jones 研制出一个具有上下两对均可产生拍打和俯仰运动的翼展为 1270mm 的扑翼机构，并进行了风洞试验。由此可以看出，国际上关于扑翼的研究已经从单纯理论分析计算开始转向研制实际扑翼机构。微扑翼飞行器的兴起与美国国防高级研究计划局(DARPA )的重视也是分不开的。早在 1982 年，美国加州大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动机理和空气动力学的试验研究，并在十几年研究的基础上于 1998 年开始实施微型扑翼飞行昆虫(MFI)的研究计划，目的是模拟苍蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器[13, 14]，如图 1-1 所示。美国乔治亚理工学院(GTRI)的 "Entomopters" 是工程师 Michelson 和他的助手研制的仿昆虫微扑翼飞行器，如图 1-2 所示。这种微型飞行器有着与蝴蝶翅膀相似的机翼，机翼采用特殊结构和材料制成，可在一种往复式化学肌肉驱动(RCM)下上下振动，机翼上下振动能根据昆虫飞行原理提供升力，并使飞行器具有盘旋能力，尾部的天线能够增加平衡作用[15~18]。与此同时，日本东京大学也正在着手基于 MEMS 技术和昆虫飞行原理研究几个毫米大小的微飞行机器人，他们设计了一种可在交变磁场中振动翅膀的飞行机器人，翅膀的材料为聚酰亚胺和镍，当把此微型飞行机器人放入到交变磁场中后，翅膀上的镍薄将带动翅膀上下振动