仿生扑翼机单关节扑动机构设计与仿真

发布时间：2020-11-02 14:05

　　 在所有飞行模式中,扑翼飞行模式具有其特殊优点:翅膀扑动过程,同时提供升力和推力,翅膀运动可以完美的把升力和推力结合在一起,能量利用率高。鸟类飞行时可以感知周围空气气流方向,利用上升气流,实现滑翔飞翔。仿生扑翼飞行器设计灵感来自于大自然飞行生物采用的飞行方式,需要轻质强度高材料、微型机电控制系统、灵活可靠的扑动机构等多学科知识结合一体飞行器。因为仿生扑翼飞行器隐蔽性能好、可以小范围起飞降落、在军用和民用方面都有一定商业价值。所以本论文利用仿生学知识,设计一款单关节扑动的仿生扑翼机。首先,通过查阅仿生扑翼飞行器研究相关论文资料,对仿生扑翼飞行器设计研发具有一定整体概念,同时了解到仿生扑翼飞行器在国内外发展所达到的技术程度。根据文献调研,发现仿生扑翼机设计具有一定挑战性,初步确定整片论文设计研究内容。然后,结合生物仿生学知识,以自然界飞行鸟类为仿生设计蓝本,剖析其可以飞行的奥秘。经过对比,总结出鸟类其自身身体构造特点使其具有灵活的飞行本领。同时为论文后期开展仿生扑翼机设计提供减重、减阻、增升等一些方法参考。其次,本论文针对小体积的仿生扑翼机开展设计工作,以鸽子为参考设计蓝本。在整个仿生扑翼机设计开发中,主要内容有:双翅扑动机构的设计、齿轮传动系统设计、尾翼控制系统设计、航电控制系统设计和整体蒙皮外观设计。对该仿生扑翼机重要扑动机构建立的数学运动学方程模型,用ADAMS虚拟样机仿真软件对其进行仿真分析。最后,利用上面设计结果,整体装配仿生扑翼机三维数模,并对该扑翼机进行渲染设计和相关重要零件绘制加工CAD图。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V276
【部分图文】：

图 1-1 微型蝙蝠扑翼机——MicrobatFig 1-1 Miniature Bat Flapping Wing ircraft——Microbat国外的专家详细分析自然界飞行生物发现：昆虫在上下扑动双翅的时候均可以产生升力，即可让其具有空中悬停的特点。自然界所有可以持续飞行的物种中，能够实现悬停不动飞行的只有昆虫和蜂鸟（其他鸟儿不能悬停）。自然界的昆虫可以实现悬停飞行主要是其产生的升力在双翅的扑动过程都可以产生，即上下扑动翅膀各产生一半的升力。鸟类运动中只有在双翅向下扑动才产生向上的正升力，当双翅向上运动产生向下的负升力，不利于其滞空飞行。为啥鸟类和昆虫的飞行产生升力的机制会有这么大的差异，其产生差异的原因为：飞鸟的双翅往复上下运动时候，双翅不会产生强烈的扭转，而昆虫的双翅往复上下运动时，扑动到上下极限位置，双翅产生强烈的扭转变形，使双翅的迎风面不变，即可持续产生升力。因为昆虫飞行具有其特殊优势，美国一所大学的研究学者设计开发了一款小巧仿生扑翼机“Entomopters”。该飞行器利用化学反应产生能量提供飞行的动力，飞行时可悬停。由于其动力源采用化学肌肉，可以减小很多结构空间，使得“Entomopter”结构紧凑，并有较高的能量释放率[12、13]。如图 1-2 所示为微型仿生扑翼机“Entomopters”样机模型，因为前缘涡效应，当快速扑动双翅时，可

Fig 1-1 Miniature Bat Flapping Wing ircraft——Microbat国外的专家详细分析自然界飞行生物发现：昆虫在上下扑动双翅的时候均可升力，即可让其具有空中悬停的特点。自然界所有可以持续飞行的物种中，能够停不动飞行的只有昆虫和蜂鸟（其他鸟儿不能悬停）。自然界的昆虫可以实现悬主要是其产生的升力在双翅的扑动过程都可以产生，即上下扑动翅膀各产生一力。鸟类运动中只有在双翅向下扑动才产生向上的正升力，当双翅向上运动产的负升力，不利于其滞空飞行。为啥鸟类和昆虫的飞行产生升力的机制会有这差异，其产生差异的原因为：飞鸟的双翅往复上下运动时候，双翅不会产生强烈，而昆虫的双翅往复上下运动时，扑动到上下极限位置，双翅产生强烈的扭转变双翅的迎风面不变，即可持续产生升力。因为昆虫飞行具有其特殊优势，美国一的研究学者设计开发了一款小巧仿生扑翼机“Entomopters”。该飞行器利用化学生能量提供飞行的动力，飞行时可悬停。由于其动力源采用化学肌肉，可以减小构空间，使得“Entomopter”结构紧凑，并有较高的能量释放率[12、13]。如图 1-2 微型仿生扑翼机“Entomopters”样机模型，因为前缘涡效应，当快速扑动双翅时产生高升力，所以研究学者打算把该仿生扑翼机在空气稀薄的火星表面飞行。

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本文编号：2867143