两段式柔性仿鸟扑翼飞行器样机设计与实验研究

发布时间：2020-06-03 06:38

【摘要】：仿生扑翼飞行器是模拟鸟类、蝙蝠和昆虫等自然生物飞行姿态的一类飞行器。由于扑翼飞行相对旋翼和固定翼有着显著优点,故扑翼飞行器在许多领域有着广阔的应用前景。目前国内外对扑翼飞行器的研究仍然集中在单段和两段式刚性翼样机方面,往往忽略大鸟飞行时内翼的扭转运动,导致样机气动性能较差。针对此种状况,本文设计了一种两段式仿鸟柔性扑翼飞行器,可以在展向和内外翼弦向上进行两个自由度的运动,设计制作了扑翼样机,进行了相应的实验研究。为了设计出仿生性能优越的扑翼飞行器,本文对大鸟如海鸥等的飞行机理进行了研究,分析了大型鸟类的翅膀构造和鸟类飞行时的运动和受力情况,明确了设计要求。建立了不同鸟类飞行参数之间的数学关系。在此基础上,提出了样机的整体设计方案,包括扑动方案、传动方案和尾翼方案。鉴于仿生扑翼飞行器的核心运动是其扑动机构实现的,在确定了扑动方案和扑翼样机的外形参数基础上,对扑动机构进行了尺寸设计。建立了机构运动学方程,直观的分析了扑动机构的角位移、角速度和角加速度的变化特性。利用条带理论估算了扑翼样机的气动力,对扑动机构进行了三维建模和动力学仿真分析,得到了扑动机构各个铰点的受力情况,保证了机构的结构强度。基于扑动机构的尺寸设计,对扑翼样机进行了整体的结构设计,并对样机进行了加工制作。在扑动方案确定的基础上,对扑动机构进行了详细的结构设计,包括内外翼之间的连接方式等;对扑翼样机的内外翼扭转机构、翼型和尾翼进行了详细的结构设计;对各个部件选择合适的材料进行了零件加工,对扑翼样机进行装配成型。为了得到设计的扑翼样机的气动力特性,设计了具体的实验方案进行样机的气动力测试。根据之前估算的气动力和动力学仿真分析,选择了合适量程的传感器,设计对应的实验平台;在不同条件下,采集了两段式柔性仿鸟扑翼样机产生的气动力数据,分析其升推力随条件变化而产生的变化趋势。重点比较了内翼扭转运动对样机气动性能的影响。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的真实姿态，增强样机飞行时的稳定性。从而为研制出的扑翼飞行器提供有意义的参考。外研究现状外研究现状十年，国外研究者在仿生扑翼样机的仿昆和仿鸟方面都一般都是单段翅，其中“Microbat”是一种通过模仿蜜蜂的小型飞行器[10]，如图 1-1 所示，其设计者对蜜蜂飞行行了深入的研究，最终研制成功了很小尺寸的扑动机构推力，在之后进行的样机试飞实验中，该小型扑翼样机

图 1-1 仿鸟扑翼样机 Microbat[10]在柔性扑动机构方面，，国外研究者提出了一种线性弹簧作为弹性储能单能量储存机制[11,12]。如图 1-2 a)所示，当一个翅膀接近一次上升冲程结束时个线性弹簧被充分拉伸，翅膀的动能转化为弹簧的弹性势能。在随后的下程中，储存的弹性势能被释放。图 1-2 b)是另一种解决方案，采用的是用扭力弹簧来连接摇臂和机翼。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V276

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本文编号：2694449