蜻蜓柔性褶皱前翅气动效能数值分析
发布时间：2022-01-09 09:56
微型扑翼飞行器（Flapping Micro Aerial Vehicle,FMAV）在军事和民用领域的广阔用途,驱动着FMAV的研制与发展。随着微电子技术、材料科学和仿生学的日趋成熟,FMAV的设计与制造发展迅速,但与传统飞行器完全不同的飞行方式,使FMAV的发展遇到瓶颈。蜻蜓通过其翅膀的形态、结构和材料等多个因素的相互耦合作用,展现出卓越的飞行能力,为FMAV的设计与制造提供了天然的生物模本,然而蜻蜓飞行时的雷诺数低,飞行方式灵活多变,蜻蜓翅膀的尺寸微小,使蜻蜓的风洞实验研究存在一定的限制,通过数值模拟的方法计算蜻蜓滑翔和扑翼前飞两种常见飞行模式下的气动效能成为可行的方式。为揭示蜻蜓滑翔时气动载荷对前翅的影响,选取蜻蜓前翅沿展向五个不同位置的横截面并建立与之相对应的二维褶皱翼型,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamic,CFD）/计算结构力学（Computational Structural Dynamic,CSD）的耦合方法数值模拟了蜻蜓滑翔时二维褶皱翼型的流固耦合问题,结果显示褶皱的变形和应力小,且越靠近蜻蜓翅尖位置的褶皱变形和应力越小,越靠近蜻...
【文章来源】：南昌航空大学江西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜻蜓翅膀（前翅）
卓越的飞行能力主要来源于其翅膀的巧妙结构和多样的扑动方式，蜻蜓前后翅膀的扑动是相互独立的，不同的前后翅翼相（前后翅同相扑动和反相扑动等[3]）使蜻蜓拥有多种飞行模式。翅膀是蜻蜓的飞行器官，结构薄，质量轻，占其总体重的 1%~2%左右，具有非常好的稳定性和极高的承载能力[4]。翅膀在蜻蜓飞行时承受高频率（30~50Hz）的交变应力，即使局部破损后，对其整体性能影响极小，具有很强的适应外部环境变化的能力。如图 1-1 所示，蜻蜓翅膀主要由厚度很薄且透明的翅膜（厚度 2~5μm[5]）、对翅膜起连接和支撑作用的管状翅脉组成。翅脉由横脉和纵脉构成，它们交叉连接在膜中形成封闭的区域[6]，这种质量轻且性能优良的类桁架结构，是蜻蜓的主要承载结构，在力学性能中发挥关键作用[7-10]，翅膜则是蜻蜓的主要空气动力学结构，在蜻蜓的飞行过程中，二者相辅相成。另外，蜻蜓翅膀还有一些特殊结构如翅结和翅痣等，同样起着重要作用，如位于翅膀末端的翅痣，在蜻蜓两侧起平衡重心的作用，保持高速飞行过程中的稳定性，也可消除飞行中翅膀的不规则振动[11]。
空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论经过自然界的选择和长期的进化，蜻蜓已经拥有两对完美的翅膀。如图 1，嵌入在翅脉中的翅膜被横脉和纵脉分成三角形、四边形、五边形、六边形状，形成大小不一的脉络结构。研究表明蜻蜓经过自然进化形成的这种脉络，其形状和排布方式是最佳的，能有效降低翅膀的应力[12]。Okamoto[13]针对前翅在仿生学方面对其结构形状做了大量数据采集与对比，不同于典型的工翼，蜻蜓前翅沿展向的横截面呈褶皱状，整个横截面上的厚度也有细微差异 1-3 所示。不同位置的翅脉形状也不尽相同，如图 1-4 所示，但大体外形类圆管，而且为中空结构，这种结构有利于减轻蜻蜓翅膀的结构重量，缓释蜻行中的交变应力[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蜻蜓非对称扑动时的气动特性[J]. 张锐,周超英,汪超,谢鹏. 航空学报. 2017(12)
[2]扑翼前飞时蜻蜓翅膀褶皱幅度的气动效应[J]. 鲁旻,张子龙,仲政. 力学季刊. 2017(02)
[3]蜻蜓翼微结构的弯扭性能分析[J]. 李卫,何国毅,林玉祥,毕团鹏. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2016(01)
[4]基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析[J]. 孟令兵,昂海松,肖天航. 航空动力学报. 2014(09)
[5]蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展[J]. 任露泉,李秀娟. 中国科学:技术科学. 2013(04)
[6]蜻蜓翅膀的力学研究进展[J]. 赵红晓,仲政. 力学季刊. 2009(03)
[7]生物运动仿生力学与智能微型飞行器[J]. 崔尔杰. 力学与实践. 2004(02)
[8]蜻蜓飞行姿态的实时模拟测量[J]. 程鹏,柳兆涛,付东杰,续伯钦,伍小平. 实验力学. 2002(03)
博士论文
[1]蜻蜓翅膀功能特性力学机制的仿生研究[D]. 李秀娟.吉林大学 2013
[2]基于CFD/CSD的机翼气动弹性计算研究[D]. 崔鹏.南京航空航天大学 2011
[3]蜻蜓翅翼三维空间结构的动力学与疲劳寿命研究[D]. 弯艳玲.吉林大学 2010
[4]蜻蜓膜翅结构特征和纳米力学行为及仿生分析[D]. 赵彦如.吉林大学 2007
硕士论文
[1]蜻蜓褶皱翼气动效能与应力分析[D]. 班学.南昌航空大学 2015
[2]低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析[D]. 郝淑文.北京理工大学 2015
[3]蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究[D]. 陈应龙.清华大学 2012
[4]蜻蜓翅膀结构仿生及新型薄壁空间网格结构体系研究[D]. 田嘉萌.浙江大学 2006
本文编号：3578484
【文章来源】：南昌航空大学江西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜻蜓翅膀（前翅）
卓越的飞行能力主要来源于其翅膀的巧妙结构和多样的扑动方式，蜻蜓前后翅膀的扑动是相互独立的，不同的前后翅翼相（前后翅同相扑动和反相扑动等[3]）使蜻蜓拥有多种飞行模式。翅膀是蜻蜓的飞行器官，结构薄，质量轻，占其总体重的 1%~2%左右，具有非常好的稳定性和极高的承载能力[4]。翅膀在蜻蜓飞行时承受高频率（30~50Hz）的交变应力，即使局部破损后，对其整体性能影响极小，具有很强的适应外部环境变化的能力。如图 1-1 所示，蜻蜓翅膀主要由厚度很薄且透明的翅膜（厚度 2~5μm[5]）、对翅膜起连接和支撑作用的管状翅脉组成。翅脉由横脉和纵脉构成，它们交叉连接在膜中形成封闭的区域[6]，这种质量轻且性能优良的类桁架结构，是蜻蜓的主要承载结构，在力学性能中发挥关键作用[7-10]，翅膜则是蜻蜓的主要空气动力学结构，在蜻蜓的飞行过程中，二者相辅相成。另外，蜻蜓翅膀还有一些特殊结构如翅结和翅痣等，同样起着重要作用，如位于翅膀末端的翅痣，在蜻蜓两侧起平衡重心的作用，保持高速飞行过程中的稳定性，也可消除飞行中翅膀的不规则振动[11]。
空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论经过自然界的选择和长期的进化，蜻蜓已经拥有两对完美的翅膀。如图 1，嵌入在翅脉中的翅膜被横脉和纵脉分成三角形、四边形、五边形、六边形状，形成大小不一的脉络结构。研究表明蜻蜓经过自然进化形成的这种脉络，其形状和排布方式是最佳的，能有效降低翅膀的应力[12]。Okamoto[13]针对前翅在仿生学方面对其结构形状做了大量数据采集与对比，不同于典型的工翼，蜻蜓前翅沿展向的横截面呈褶皱状，整个横截面上的厚度也有细微差异 1-3 所示。不同位置的翅脉形状也不尽相同，如图 1-4 所示，但大体外形类圆管，而且为中空结构，这种结构有利于减轻蜻蜓翅膀的结构重量，缓释蜻行中的交变应力[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蜻蜓非对称扑动时的气动特性[J]. 张锐,周超英,汪超,谢鹏. 航空学报. 2017(12)
[2]扑翼前飞时蜻蜓翅膀褶皱幅度的气动效应[J]. 鲁旻,张子龙,仲政. 力学季刊. 2017(02)
[3]蜻蜓翼微结构的弯扭性能分析[J]. 李卫,何国毅,林玉祥,毕团鹏. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2016(01)
[4]基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析[J]. 孟令兵,昂海松,肖天航. 航空动力学报. 2014(09)
[5]蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展[J]. 任露泉,李秀娟. 中国科学:技术科学. 2013(04)
[6]蜻蜓翅膀的力学研究进展[J]. 赵红晓,仲政. 力学季刊. 2009(03)
[7]生物运动仿生力学与智能微型飞行器[J]. 崔尔杰. 力学与实践. 2004(02)
[8]蜻蜓飞行姿态的实时模拟测量[J]. 程鹏,柳兆涛,付东杰,续伯钦,伍小平. 实验力学. 2002(03)
博士论文
[1]蜻蜓翅膀功能特性力学机制的仿生研究[D]. 李秀娟.吉林大学 2013
[2]基于CFD/CSD的机翼气动弹性计算研究[D]. 崔鹏.南京航空航天大学 2011
[3]蜻蜓翅翼三维空间结构的动力学与疲劳寿命研究[D]. 弯艳玲.吉林大学 2010
[4]蜻蜓膜翅结构特征和纳米力学行为及仿生分析[D]. 赵彦如.吉林大学 2007
硕士论文
[1]蜻蜓褶皱翼气动效能与应力分析[D]. 班学.南昌航空大学 2015
[2]低雷诺数下柔性膜扑翼气动特性的流固耦合分析[D]. 郝淑文.北京理工大学 2015
[3]蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究[D]. 陈应龙.清华大学 2012
[4]蜻蜓翅膀结构仿生及新型薄壁空间网格结构体系研究[D]. 田嘉萌.浙江大学 2006
本文编号：3578484
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