结构参数和机体运动对扑翼性能的影响研究

发布时间：2020-09-10 13:44

　　微型扑翼飞行器在飞行效率、机动性、仿生隐蔽性等方面具有极大的发展潜力,是未来执行侦察、监测任务的最佳选择之一。目前微型扑翼飞行器的扑动翼气动效率较低,仍不能像自然界中的飞行生物一样高效飞行。其主要原因之一是目前缺乏针对复杂柔性结构和考虑机体运动影响的高精度气动计算方法和高效扑动翼设计方法。针对该计算和设计难题,本文首先发展了两种基于结构参数实测的柔性扑动翼气动计算方法:CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics)计算方法和基于二维非定常气动模型(Peters’inflow theory)的气动结构耦合(Fluid Structure Interaction)计算方法PFSI;然后基于CFD/CSD计算方法和实验方法研究了高气动效率柔性扑动翼的设计方法;为进一步提高现有计算方法的精度,基于CFD/CSD计算方法发展了考虑机体单刚体运动的计算方法并研究了机体运动对扑翼飞行的影响,同时基于PFSI计算方法发展了可考虑多体运动的计算方法,后者可实现对机体和扑动翼运动更准确建模;通过高速摄像实验、风洞实验和飞行实验对上述计算方法和设计方法进行了验证;此外基于CFD/CSD计算方法和基于代理模型的优化方法对兼具扑动滑翔功能的扑动翼进行了结构优化设计;最后研究了结构柔性和机体沉浮俯仰运动对扑翼飞行器纵向稳定性的影响。具体研究内容和结论为:(1)发展了两种基于结构参数实测的柔性扑动翼气动计算方法。一种是通过将计算流体动力学(CFD)求解器与计算结构动力学(CSD)软件ABAQUS进行松耦合,发展了计算精度较高但计算成本较大的CFD/CSD计算方法;另一种是将二维非定常气动模型(Peters’inflow theory)与扑动翼的结构动力学方程进行紧耦合,实现柔性扑动翼气动特性的快速计算。该类方法在对复杂柔性扑动翼结构进行建模过程中,通过结构静加载实验、结构模态测量实验和高速摄像实验等多种实验手段进行结构参数的测量和验证,充分保证了结构建模的准确性。该两种计算方法具有不同计算精度和计算成本,可以满足不同的计算需求。两种方法的计算结果与实验结果吻合良好,验证了计算方法的精度。(2)基于CFD/CSD计算方法和实验方法研究了高气动效率柔性扑动翼的设计方法。根据飞行器配平状态与扑动翼气动效率之间的关系,确定了高气动效率扑动翼的设计目标。研究了四种通过提高扑动频率与结构模态频率之比(频率比)来同时提高静推力和静推进效率的方案,研究结果表明增大扑动频率、改变扑动翼外段翼肋直径和改变外段翼肋截面参数均不能有效达到设计目标,但通过改变外段翼肋的质量分布可以获得静推力和静推进效率同时大幅提升。最后基于CFD/CSD计算方法对外段翼肋的质量配重进行了确定,满足在有来流情况下的扑动翼升力和推力同时提高的设计要求,进而可以在实际飞行中降低扑动频率和提高气动效率。(3)为进一步提高现有计算方法的精度,研究了机体运动对扑翼飞行的影响。首先发展了一种CFD/CSD/EoRBD(单刚体运动方程)的耦合计算方法,研究了机体运动对扑翼飞行气动特性和配平状态的影响,同时研究了扑动翼的质量与全机质量之比(简称扑动翼质量占比)对机体运动幅值和气动特性的影响规律。为进一步实现对扑动翼惯性力的准确建模,发展了一种PFSI/EoMD(多体动力学方程)的气动/结构/多体动力学耦合计算方法,实现了对扑动翼和机体运动更准确建模,并实现了扑翼飞行的开环自由飞仿真。(4)通过飞行实验对上述的计算方法和设计方法进行了验证。三次飞行实验表明新设计的高气动效率扑动翼可以在同样的飞行速度和飞行条件下节约13%左右的功耗。通过对飞行实验数据的采集和辨识,获得了扑翼飞行器机体沉浮和俯仰运动幅值,并与计算值进行了对比。计算结果和飞行实验结果吻合良好,验证了CFD/CSD/EoRBD耦合计算方法的正确性,实现了进一步提高扑动翼计算精度的目标。(5)基于CFD/CSD计算方法,针对兼具扑动与滑翔复合飞行功能的扑动翼进行了结构优化设计。基于飞行过程中动能不变、势能改变的假设,建立了适用于扑动滑翔的飞行模型。针对扑动翼的结构参数(材料的弹性模量和密度),通过基于代理模型的优化方法分别进行了不同参数的单独优化与综合优化,优化后的结构在扑动滑翔复合飞行过程中理论上能够节省30%以上的能量。(6)研究了扑动翼的柔性和机体运动对飞行器纵向稳定性的影响。研究结果发现扑动翼的柔性可以使刚性扑动翼对应的纵向运动不稳定转变为稳定,说明了扑动翼的柔性在一些情况下可改变扑翼飞行器的纵向稳定性。本文基于两种稳定性分析方法研究了机体运动对纵向稳定性的影响,通过比较两种方法的计算结果,发现针对扑动翼质量占比超过10%的扑翼飞行器,平均方法不再适合进行稳定性分析,需要使用Floquet方法进行稳定性分析。此外还基于平尾的俯仰阻尼力矩原理提出了适用于扑翼飞行器的仿生起落架及控制系统的设计方法。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V211.41
【部分图文】：

扑翼,飞行器

(c)南航“金鹰” (d)西工大“信鸽”图 1- 1 国内外具有代表性的扑翼飞行器前扑翼飞行器主要分为仿昆虫型扑翼飞行器和仿鸟型扑翼飞行器，虽然它飞行器，但它们的飞行方式却有着很大区别。如图 1- 2[6]所示，仿鸟型扑类一样以平飞为主，扑动频率一般在 3~20Hz，升力主要来源于前飞速度

雷诺数,占比,重量,公式

图 1- 2 飞行生物的雷诺数（定义见公式 1-1）、扑动频率、翅膀重量占比的关系[6] 国内外研究现状扑翼飞行无量纲气动参数介绍为方便下文的介绍，这里先介绍四个常用的描述扑翼飞行的无量纲气动参数。雷诺数R ：代表流体惯性力和粘性力的比值，其定义公式如下：

逻辑框图,计算方法,机体,结构柔性

PFSI 计算方法发展了可考虑多体运动的计算方法，后者可实现对机体和扑动翼运动更准确建模；通过高速摄像实验、风洞试验和飞行实验对上述计算方法和设计方法进行了验证；此外，基于 CFD/CSD 计算方法和基于代理模型的优化方法对兼具扑动滑翔功能的扑动翼进行了结构优化设计；最后研究了结构柔性和机体沉浮俯仰运动对扑翼飞行器纵向稳定性的影响。研究内容逻辑框图如下：

【参考文献】