仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究 摘 要 与传统的固定翼飞行器和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行器的主要特点是翅翼在 扑动时能同时产生升力和推力，与此同时还具有效率高、机动性能好、噪音小、不需 要专门起飞着陆场地等多个特点。因此，研究人员设计并开发仿生扑翼飞行器有着非 常重要的科学意义，而且拥有广泛的应用前景，各国的研究人员对这一领域的发展都 十分关注。 通过检索相关文献汇总国内外对昆虫和鸟类飞行机理的研究进展，从鸟翼和昆虫 翼的构造出发，分别分析它们的飞行机理，特别是昆虫飞行中产生高升力的几种机制 研究现状与进展，通过对比分析昆虫和鸟类扑翼飞行之间的差异，提出了本文是将仿 生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究，集中在模仿昆虫的扑翼飞行理论的基础上 来进行。 通过对比目前几种驱动机构的优缺点，采用Solidworks的建模技术，选择由直流 电机驱动的曲柄摇杆机构作为本文研究扑翼飞行器的驱动机构，选择并计算出与电机 相匹配的二级圆柱齿轮减速器的参数。将在Solidworks中建立的驱动机构模型导入 Adams中，利用Adams的运动学仿真模块针对所设计的不同方案进行运动学仿真， 并对仿真结果进行分析，以期获得最优的参数方案。 学习CPD计算流体力学软件中Fluent的使用，并且运用用户自定义功能(UDF), 通过C语言编程对该软件的使用进行了二次开发。本文通过采用Spalart-Allmaras模 型，同时增强壁面函数中的要求，利用ICEM CFD中Exponentioal2划分规则对翅翼 模型的外壁面做了特殊处理，获取到昆虫翅翼在流场运动时的二维网格。 采用Fluent计算方法模拟出翅翼周围的流场，得到翅翼扑动过程中的升阻力特性。 通过比较单自由度的刚性翅翼与柔性翅翼之间的升阻力特性的特点，得出在具有相同 的初始和运动条件下，与刚性翅翼相比，柔性翅翼的升力在即使有所下降的情况下， 水平方向的力则由阻力变成了推力，提高的翅翼扑动过程中的效率这一结论。 关键词：扑翼飞行，飞行机理，驱动机构，柔性翅翼，运动学仿真 万方数据I 仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究 摘 要 与传统的固定翼飞行器和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行器的主要特点是翅翼在 扑动时能同时产生升力和推力，与此同时还具有效率高、机动性能好、噪音小、不需 要专门起飞着陆场地等多个特点。因此，研究人员设计并开发仿生扑翼飞行器有着非 常重要的科学意义，而且拥有广泛的应用前景，各国的研究人员对这一领域的发展都 十分关注。 通过检索相关文献汇总国内外对昆虫和鸟类飞行机理的研究进展，从鸟翼和昆虫 翼的构造出发，分别分析它们的飞行机理，特别是昆虫飞行中产生高升力的几种机制 研究现状与进展，通过对比分析昆虫和鸟类扑翼飞行之间的差异，提出了本文是将仿 生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究，集中在模仿昆虫的扑翼飞行理论的基础上 来进行。 通过对比目前几种驱动机构的优缺点，采用 Solidworks 的建模技术，选择由直流 电机驱动的曲柄摇杆机构作为本文研究扑翼飞行器的驱动机构，选择并计算出与电机 相匹配的二级圆柱齿轮减速器的参数。将在 Solidworks 中建立的驱动机构模型导入 Adams 中，利用 Adams 的运动学仿真模块针对所设计的不同方案进行运动学仿真， 并对仿真结果进行分析，以期获得最优的参数方案。 学习CFD计算流体力学软件中Fluent的使用，并且运用用户自定义功能（UDF）， 通过 C 语言编程对该软件的使用进行了二次开发。本文通过采用 Spalart-Allmaras 模 型，同时增强壁面函数中的要求，利用 ICEM CFD 中 Exponentioal2 划分规则对翅翼 模型的外壁面做了特殊处理，获取到昆虫翅翼在流场运动时的二维网格。 采用 Fluent 计算方法模拟出翅翼周围的流场，得到翅翼扑动过程中的升阻力特性。 通过比较单自由度的刚性翅翼与柔性翅翼之间的升阻力特性的特点，得出在具有相同 的初始和运动条件下，与刚性翅翼相比，柔性翅翼的升力在即使有所下降的情况下， 水平方向的力则由阻力变成了推力，提高的翅翼扑动过程中的效率这一结论。 关键词：扑翼飞行，飞行机理，驱动机构，柔性翅翼，运动学仿真 万方数据