基于金龟子后翅的仿生可折叠翼研究

发布时间：2017-10-12 09:32

  本文关键词：基于金龟子后翅的仿生可折叠翼研究

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【摘要】：微型飞行器(Micro Air vehicle,简称MAV)具有尺寸小,易携带,操作性好,隐蔽性强的特点,其在执行狭小空间或复杂地形条件下的任务时具有其它飞行器无法比拟的优势。随着尺寸的进一步缩小,扑翼型MAV在机动性、推进效率以及气动性能等方面表现出了更为明显优势,这使其成为MAV未来发展的重要方向。为了降低重量,MAV的扑翼必须足够轻盈,因此目前面世的扑翼型MAV都采用了类似昆虫翅膀的膜结构扑翼,然而这种扑翼翼展较大、极易损坏。金龟子在不飞行时可将其膜质后翅折叠收拢于鞘翅之下,而在需要飞行时才将后翅展开。它的这一特性使其同时具备了优异的飞行能力和良好的环境适应性。受金龟子的启发,本文设计了一款用于扑翼型MAV的新型可折叠扑翼。这种扑翼在飞行时可以展开以获得足够的升力,在不需要飞行时可以折叠起来,以减小机翼的面积,降低机翼受损风险。本论文在前人的研究基础上分析了金龟子后翅的折叠/展开过程及机理,并利用SkyScan1176-活体显微CT对金龟子扁锯颚锹甲后翅的不同展开状态进行了扫描和三维重建,研究了金龟子后翅在展开过程中的形态变化,发现金龟子后翅的展开过程分为两个阶段,第一阶段内其形态变化主要表现为翅尖部分绕翅膀中部呈扇形展开,第二阶段主要进行纵向展开。研究还发现,在金龟子后翅展开过程中,整个翅膀由一个复杂的三维立体结构逐渐展开成平面结构。本论文根据金龟子后翅展开的液压作用机理,结合金龟子后翅在折叠/展开过程中的形态变化设计了一种基于液压驱动的仿生可折叠翼,并研究了仿生可折叠翼液压系统内部的压强随温度变化的关系,研究结果表明随着温度的升高,液压系统内部的压强呈增大趋势,从理论上证明了设计方案的可行性;为了进一步验证设计方案的可行性,本论文根据设计方案制做了试验样机,虽然试验结果与预期存在较大差异,但样机表现出了明显的展开趋势,从而进一步证明了设计方案的可行性。论文分析了试验结果出现偏差的原因。论文对仿生可折叠翼进行了受力分析,研究发现仿生翼在正、反两面加载下的应力分布和变形情况基本一致,但同仿照金龟子扁锯颚锹甲的后翅而建立的三维模型ModelΙ相比,其应力分布以及变形情况存在较大差异,在承受相同载荷情况下,仿生翼的应力应变都比ModelΙ的小,从而证明了仿生可折叠翼的强度符合要求。综上所述,本论文基于金龟子后翅的可折叠特性及液压作用机理设计了一款用于扑翼型MAV的新型扑翼,并从理论和试验角度证明了其可行性。本论文所做的研究工作对减小扑翼型MAV的携带尺寸,降低扑翼受损风险,增加MAV的使用寿命具有重要意义。
【关键词】：金龟子后翅 仿生 微型飞行器(MAV) 可折叠翼 液压 展开
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 微型飞行器的研究背景10
• 1.2 微型飞行器的发展近况与趋势10-12
• 1.3 仿生可折叠翼的研究意义12-13
• 1.4 仿生可折叠翼的研究现状13-17
• 1.4.1 记忆合金驱动的可折叠翼14-15
• 1.4.2 基于四杆机构的仿生可折叠翼15-16
• 1.4.3 斯坦福大学的仿生可折叠翼16-17
• 1.5 本文研究内容17-20
• 第2章 金龟子后翅折叠机理20-30
• 2.1 研究对象20-21
• 2.2 金龟子后翅的组成21-24
• 2.2.1 翅基21-22
• 2.2.2 翅脉22-23
• 2.2.3 翅膜23-24
• 2.3 翅脉的微观结构24-25
• 2.4 金龟子后翅的展开过程25-26
• 2.5 金龟子后翅的折叠过程26-27
• 2.6 金龟子后翅折叠/展开机理27-28
• 2.7 本章小结28-30
• 第3章 仿生可折叠翼设计30-44
• 3.1 后翅在折叠/展开过程中的形态变化30-33
• 3.1.1 试验设备和方法30-32
• 3.1.2 试验结果及分析32-33
• 3.2 仿生可折叠翼方案设计33-36
• 3.2.1 弹性系统方案设计34
• 3.2.2 液压系统方案设计34-35
• 3.2.3 液压系统与弹性系统的协同作业35-36
• 3.3 仿生可折叠翼的结构设计36-40
• 3.3.1 仿生可折叠翼的翅脉布局36-37
• 3.3.2 仿生可折叠翼翅脉的主要几何参数37-38
• 3.3.3 弹性铰链设计38-40
• 3.4 其余设计参数40-43
• 3.4.1 弹力绳参数40-42
• 3.4.2 液压液的相关参数42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 仿生可折叠翼分析44-54
• 4.1 仿生翼展开过程分析44-48
• 4.1.1 液压液内部的压强变化44-47
• 4.1.2 仿生翼展开角随温度的变化关系47-48
• 4.2 仿生翼扑动时的应力应变分析48-50
• 4.3 不同的支撑结构对扑翼的影响50-51
• 4.4 本章小结51-54
• 第5章 样机制作及试验54-60
• 5.1 仿生可折叠翼翅脉加工54-55
• 5.2 样机装配55-56
• 5.3 折叠过程实现56-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第6章 总结与展望60-64
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-64
• 参考文献64-70
• 作者简介及硕士研究生期间所取得的科研成果70-72
• 致谢72

【参考文献】

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本文编号：1017964